Anxious Albatross
Проверенный
Ученые 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, поддержанного грантами 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 ученые ищут способы визуализировать сосудистую систему без вмешательства в организм и с максимальной детализацией. 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 дает 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.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с зарубежными коллегами 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 пленки 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 трехмерной 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). Улучшенная скорость и детализация позволили взглянуть на структуру микроскопических пор. Также впервые показана транскраниальная визуализация мозга мыши с высоким разрешением без инвазивных вмешательств.
«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 (Швейцария), Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Университета Тунцзи (Китай), Высшего совета по научным исследованиям Испании (Испания) и Центра Гельмгольца (Германия).
Продолжить чтение...
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 ученые ищут способы визуализировать сосудистую систему без вмешательства в организм и с максимальной детализацией. 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 дает 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.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с зарубежными коллегами 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 пленки 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 трехмерной 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). Улучшенная скорость и детализация позволили взглянуть на структуру микроскопических пор. Также впервые показана транскраниальная визуализация мозга мыши с высоким разрешением без инвазивных вмешательств.
«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 (Швейцария), Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Университета Тунцзи (Китай), Высшего совета по научным исследованиям Испании (Испания) и Центра Гельмгольца (Германия).
Продолжить чтение...