Сотрудники Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород)
совместно с зарубежными коллегами разработали и испытали первую сферическую
многоэлементную антенну из пьезополимера для оптоакустической томографии. По сравнению с традиционными
пьезокерамическими материалами чувствительность новой антенны к оптоакустическим сигналам увеличилась
более чем в десять раз.
Технология позволила в реальном времени наблюдать движение крови в сосудах различных размеров — от крупных
артерий до мельчайших капилляров — с высоким пространственным и временным разрешением. Разработка может
стать основой для новой линейки медицинских приборов, способных без хирургического вмешательства, быстро
диагностировать серьезные сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, а также применяться в
устройствах неразрушающего контроля. Результаты исследования, поддержанногогрантами Российского научного фонда
(РНФ), опубликованы в журнале Light:
Science & Applications издательства Nature Publishing Group.
Понимание того, как и какая кровь циркулирует по сосудам различных размеров, особенно в мельчайших
капиллярах, критично для ранней диагностики и лечения сердечно-сосудистых, онкологических и
нейродегенеративных заболеваний. Однако существующие методы визуализации, например УЗИ, КТ и МРТ, не
обеспечивают необходимого молекулярного контраста, пространственного и временного разрешения, иные методы
вовсе требуют инвазивного вмешательства. Особенно трудно одновременно наблюдать в реальном времени и крупные
сосуды, и микрокапилляры, не нарушая физиологию тканей. Поэтому учёные ищут способы визуализировать
сосудистую систему без вмешательства в организм и с максимальной детализацией.
Крупный план сферической
антенны, показывающий миниатюрные пьезоэлементы
Одним из самых перспективных направлений стала оптоакустическая томография — метод, сочетающий импульсное
лазерное освещение и ультразвуковую регистрацию термоупругих сигналов — акустических волн, возникающих при
быстром нагреве ткани фотонами. При использовании различных оптических длин волн подход даёт не только
структурную, но и функциональную информацию — например, о насыщении тканей кислородом. Однако технология
ограничена чувствительностью и частотным диапазоном приемных антенн, что мешало увидеть мельчайшие сосуды в
реальном времени.
Исследователи усовершенствовали метод
оптоакустической томографии. Они разработали первую в мире многоэлементную высокочувствительную
широкополосную сферическую антенну на основе пьезополимера — поливинилиденфторида (PVDF).
Авторы создали сферический массив из тончайшей плёнки поливинилиденфторида, на поверхности которого
сформировали 512 пьезоэлементов площадью менее 1 квадратного миллиметра каждый. Сегодня это мировой рекорд
по плотности упаковки пьезополимерных ультразвуковых антенн. Сначала нижегородцы сформировали
полусферическую поверхность радиусом 15 мм, содержащую 512 сигнальных электродов. Затем к электродной
преформе были приклеены миниатюрные пьезополимерные элементы. Авторы сформировали общий земляной электрод, а
также защитное покрытие. Сигналы с электродов обрабатывались специальной согласующей электроникой и цифровой
системой сбора данных, которая способна одновременно записывать данные со всех элементов на частоте 100 МГц.
В результате, каждый элемент принимал ультразвуковые сигналы независимо, что и позволило антенне обеспечить
возможность мгновенной трёхмерной томографической визуализации. Предложенная архитектура позволила достичь
полосы пропускания от 0,3 до 40 МГц, что на порядок превышает параметры традиционных систем.
В ходе экспериментов на человеческих тканях технология впервые позволила одновременно видеть сосуды
разного масштаба: от крупных, диаметром до 10 миллиметров, до мельчайших капилляров, сравнимых с размером
одного эритроцита (около 10 микрометров). Повышенная скорость и детализация позволили взглянуть на структуру
микроскопических пор. Также впервые показана транскраниальная визуализация мозга мыши с высоким разрешением
без инвазивных вмешательств.
Команда из ИПФ РАН,
создавшая уникальную сферическую антенну. В центре в первом ряду — Павел Субочев
«Идея разделить датчик на 512 независимых элементов сначала казалась невозможной. Но все мы
по-настоящему вдохновились на этот инженерный подвиг. Наша технология открывает новые возможности как
для практической медицины, так и для фундаментальной биологической науки, позволяя детально изучать
живые ткани человека, не причиняя им вреда. Теперь мы можем в самых мельчайших деталях наблюдать
оксигенацию и микроциркуляцию, открывая неизвестные ранее закономерности. В дальнейшем мы планируем
расширить область применения нашей оптоакустической технологии на диагностику нейроваскулярного
сопряжения в масштабе коры головного мозга и изучение механизмов нейродегенеративных
процессов», — рассказывает руководитель проектов, поддержанных грантами РНФ,
Павел Субочев, заведующий лабораторией ультразвуковой и оптико-акустической
диагностики ИПФ РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Цюрихского университета, Швейцарской высшей технической школы
Цюриха, Университета Тунцзи (Китай),
Высшего совета по научным исследованиям Испании (Испания) и Центра Гельмгольца (Германия).
Источник: пресс-служба РНФ.