http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=4ccab739-49b2-4b0f-8fb2-223db4bd8387&print=1© 2024 Российская академия наук
Интеллектуальные лазерные системы, которые разрабатывают в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН, востребованы как в медицинской практике, так и при создании истребителей нового поколения
Изначально в задачи созданного в 1979 году Института проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН, прежнее название — Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам) входили разработка и создание лазерных станков для обработки материалов, то есть лазерной резки, сварки, наплавки. Для создания современных лазерных комплексов было всё необходимое: исследовательский отдел, конструкторское бюро и опытное производство. Несмотря на то, что институт сумел сохранить эту базу в тяжелейшие 1990-е годы и развить некоторые технологии, в последнее время он испытывает некоторые проблемы, связанные с коммерциализацией разработок.
«Перфокор»
Лазерные системы, которые создают специалисты ИПЛИТ РАН, имеют высочайшее качество излучения и дают возможность хорошо фокусировать и управлять его поляризацией, что позволяет решать самые разные практические задачи.
Одна из разработок — аппарат «Перфокор», предназначенный для лечения пациентов с ишемической болезнью сердца. При недостатке кровоснабжения сердечная мышца начинает болеть и постепенно отмирает. Чтобы избежать некроза ткани, больному делают аортокоронарное шунтирование, восстанавливая нарушенное кровообращение. Через 10-15 лет шунт приходит в негодность, и операцию приходится повторять. Но многим пациентам такие операции по разным причинам противопоказаны, тогда им на помощь приходит лазер. Хирурги делают небольшое отверстие между рёбрами, «коридорчик» к миокарду, через который «стреляют» в сердце мощным, порядка 40 джоулей, лазерным импульсом и пробивают в нём отверстие. Кровотечение очень быстро прекращается, и организм сам начинает воссоздавать вокруг этого канала новые кровеносные сосуды. Вся операция занимает не более получаса. Специалисты из Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им А.Н. Бакулева, где работает одна из двух произведённых на данный момент установок (другая — в Московском областном научно-исследовательском клиническом институте им. М.Ф. Владимирского), говорят, что могут научить этой операции любого более-менее квалифицированного кардиохирурга за несколько месяцев стажировки.
Одна из разработок — аппарат «Перфокор», предназначенный для лечения пациентов с ишемической болезнью сердца. Физики из ИПЛИТ РАН при создании «Перфокора» тесно взаимодействовали с кардиологами и биологами, поскольку понадобились сотни опытов на животных. Проколоть сердце нужно за одну вспышку в строго определённый момент сердечного цикла, иначе операция вызовет аритмию. К мощному лазеру прилагается манипулятор, система наведения и довольно сложная система электронного управления, которая координирует лазерные импульсы и осуществляет синхронизацию между ними и кардиоциклами пациента.
По данным европейских медиков, испытавших эту установку, она превосходит по качеству американские аналоги, но при этом значительно дешевле. Производственная база ИПЛИТ РАН позволяет без дополнительных капиталовложений выпускать 7-10 установок в год. Теперь дело за заказчиками.
Хирургам и диагностам поможет эффект Доплера
Учёные ИПЛИТ РАН дорабатывают «Интеллектуальную лазерную хирургическую установку с доплеровской диагностикой испарения биотканей», которая удаляет поражённые участки и одновременно определяет вид удаляемой ткани. Действие прибора основано на эффекте Доплера: сигнал, отражённый от аэрозолей, имеет несколько смещённую частоту. Когда лазерный луч выжигает ткань, в воздух летят мельчайшие её частички. Тот же луч, который режет ткань, отражается от этих частиц и меняет частоту в зависимости от того, какой ткани эти частички принадлежат. Разработчики системы гордятся тем, что она не требует дополнительной диагностики. Один и тот же луч выполняет функции инструмента и информационного канала. Чувствительный приёмник получает два сигнала от луча, сначала направленного на ткань, а потом от неё отражённого. О том, что опухоль удалена, и лазер выжигает уже здоровую ткань, прибор сообщает через 10-3 секунд. Ни один, даже самый опытный, хирург не способен среагировать с такой скоростью.
К созданию этой установки исследователи приступили в 2002 году вместе с коллегами из тульского КБ приборостроения. В настоящее время учёные продолжают эксперименты в направлении того, чтобы как можно отчётливее и быстрее различать здоровые ткани и недоброкачественные опухоли. Испытания проходят в Московском научно-исследовательском онкологическом институте им. П.А. Герцена.
Полимерные модели с доставкой в любую точку мира
Очень востребованным прежде всего в медицине оказался метод лазерной стереолитографии. Суть его заключается в том, что по трёхмерной компьютерной модели отливают деталь из фотоотверждаемой полимерной смеси. Отливают её послойно. Лазерный луч описывает на поверхности полимера определённую траекторию, и «заштрихованная» им область затвердевает. Платформа с полимерной смесью погружается в жидкость на толщину следующего слоя, затем лазерный луч обрабатывает ещё один слой, и так цикл за циклом — пока не «вырастет» вся деталь. Таким способом можно создавать изделия очень сложной формы, с внутренними полостями, и размером до нескольких десятков нанометров. Многим хирургам очень удобно иметь модель того органа или кости, с которыми предстоит работать. Её строят по данным томографии, причём томограф может находиться за тысячи километров от установки. Данные, преобразованные в определённый формат, передают по интернету в центр изготовления модели. Один центр может обслуживать множество заказов, и ИПЛИТ РАН сотрудничает примерно с тремя десятками клиник. Хирурги, получив точную модель повреждённого сустава, черепа или позвоночника, могут заранее подогнать будущие титановые имплантаты и продумать сценарий операции. Это позволяет сократить время хирургического вмешательства в два-три раза, благодаря чему операции можно делать даже маленьким детям, которые не выдерживают длительного наркоза.
Метод стереолитографии нашёл применение не только в медицине. Вместе с коллегами из Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского учёные ИПЛИТ РАН работают над продуваемой моделью истребителя нового поколения. В процессе работы нужно быстро менять геометрию модели, раз за разом испытывая её в аэродинамической трубе. Даже самые незначительные изменения параметров требуют долгой и кропотливой работы, а метод стереолитографии позволяет это сделать за сутки. Таким же методом учёные по заказу Московского государственного университета геодезии и картографии изготавливали рельефы местности по данным гравитометрической съёмки из космоса.
А в пакете с разработкой…
Полный пакет разработки (на примере последней из описанных выше) включает в себя технологию, материалы, установку, программное обеспечение, а также доступ к инфраструктуре, которая позволяет передавать данные по интернету. Без кооперации с другими учёными реализовать такой масштабный проект было бы невозможно.
Прежде чем приняться за создание лазерных установок для изготовления трёхмерных моделей, исследователи доказали теоретически, что такая технология в принципе возможна. Тут помогли математики. Часть оборудования и программное обеспечение разработали в ИПЛИТ РАН, лазер делают в Рязани, а фоточувствительный полимер — в Ярославле. И при дальнейшей работе не обошлись без математиков. Учёные предложили изготовлять детали не из полимера, а из порошка методом лазерного спекания. Принцип тот же: лазер рисует нужный контур по порошку, что не спеклось, осыпается, и так послойно воссоздаётся объект. Этот метод хорош для создания пористых материалов для биотехнологии, а также для создания градиентных материалов, обладающих переменными по направлению свойствами. Все процессы спекания наноматериалов и наноструктурирования градиентных материалов требуют опять-таки предварительного моделирования.
А ещё научное учреждение должно иметь не только производственную базу для изготовления станков и отработки технологий, но и специалистов, умеющих с ними работать. Для их подготовки на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова создана кафедра медицинской физики, которой руководит директор ИПЛИТ РАН академик Владислав Панченко. Молодых специалистов нужно привлекать на работу, и для них в Шатуре построили пятиэтажный дом.
Созданное медицинское оборудование испытывают и отлаживают непременно в клиниках, а врачей ещё надо убедить опробовать новый метод. Чтобы заинтересовать постоянных партнёров, приходится создавать демонстрационные центры и разрабатывать демопрограммы. Отдельная задача — патентование новых материалов и технологий, и совсем отдельная — продажа оборудования и налаживание сервисного обслуживания. И, разумеется, на всё нужны средства.
Насколько успешно коллектив ИПЛИТ РАН воплощает свои идеи? С одной стороны, похвастаться внедрёнными разработками и оборудованием, произведённым в собственных цехах, может далеко не каждый академический институт. (А кроме перечисленных, на подходе ещё несколько технологий.) С другой стороны, эти очень полезные разработки внедряются крайне медленно.
Очевидно, что академическому институту, даже имеющему производственную базу, всех проблем, связанных с коммерческой реализацией продуктов, не решить. Этим должна заниматься компания, которая вкладывает средства в исследования, а институт должен оставаться институтом — местом, где эти исследования проводятся.