Физики разработали высокочувствительный ультразвуковой датчик (гидрофон), который можно легко интегрировать в оптический микроскоп, чтобы улучшить качество ангиографических изображений. Такой подход позволит дополнить стандартные фотографии сосудов оптоакустическими изображениями и улучшить качество диагностики заболеваний — например, выявление и отслеживание динамики развития опухолей. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Photonics Nexus.

Система оптоакустической микроскопии с интегрированным игольчатым датчиком

Для исследования живых тканей всё чаще используются системы оптоакустической визуализации. На образец воздействуют импульсным лазерным излучением, в результате чего хромофоры, своего рода органические «краски», такие как гемоглобин, нагреваются на сотые доли градуса и генерируют ультразвуковые импульсы. Эти имульсы улавливают датчики, и на основе этих данных определяется микроструктура хромофоров. Однако существующие датчики недостаточно миниатюрны и чувствительны, а потому их сложно интегрировать в другие визуализирующие приборы, например, оптические микроскопы.

Научные сотрудники лаборатории ультразвуковой и оптоакустической диагностики Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) совместно с коллегами из Швейцарии разработали миниатюрный (весом порядка одного грамма) ультразвуковой датчик на основе фторсодержащего полимера PVDF-TrFE. Он представляет собой тонкую иглу с чувствительным полимерным материалом на кончике диаметром 0,5 миллиметра.

Исследователи протестировали прибор, установив его в оптическую систему лазерного сканирующего микроскопа. Авторы рассмотрели с помощью полученной системы сосуды в головном мозге мышей. По внешнему виду сосудистых сетей, в частности, при наличии их разрастания, можно выявлять опухоли, поскольку раковым клеткам необходимо много питательных веществ, доставляемых с кровью. В связи с этим для современной медицины важно совершенствовать методы визуализации тканей, в которых развивается опухоль.

Сначала на компьютер, подключенный к микроскопу, передавалась обычная фотография, после чего картинка корректировалась на основе сигналов, измеренных гидрофоном. В результате снимки оказались точнее и контрастнее, чем снятые только с помощью оптического микроскопа. Такой подход может помочь получать изображения живых тканей с высоким разрешением (0,5 микрометра, что сравнимо с размером бактерий), например, при исследовании опухолей и сосудистых сетей, питающих новообразования.

Рис. 2. Изображения сосудов в головном мозге мыши, полученные с помощью только оптической системы лазерного сканирующего микроскопа (слева), сочетанием оптической системы и ультразвукового датчика (справа)

Научные сотрудники сравнили чувствительность разработанного устройства с коммерческим аналогом ультразвукового датчика на основе полимера с другой химической структурой. Датчики поместили над ёмкостью с водой и сравнили, как они улавливают пропускаемый через жидкость ультразвук. Авторский гидрофон оказался в 10 раз чувствительнее своего конкурента.

«Разработанный нами миниатюрный датчик легко интегрируется в оптические системы микроскопов. Это может быть полезно при исследовании развития опухолей, поскольку позволит детально проследить все особенности раковых клеток, оплетающих их сосудов и окружающих тканей. В дальнейшем мы планируем продолжать совершенствовать ультразвуковой датчик, а именно разработать такую конфигурацию, которая позволит регистрировать акустические волны с амплитудами менее одного паскаля», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Субочев, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ультразвуковой и оптоакустической диагностики Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН.

Источник: РНФ.