Методы формирования мультиспектральных терагерцовых изображений объекта с суб-волновым разрешением для медицинской диагностики злокачественных новообразований

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-79-20346

НазваниеМетоды формирования мультиспектральных терагерцовых изображений объекта с суб-волновым разрешением для медицинской диагностики злокачественных новообразований

Руководитель Зайцев Кирилл Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые слова Терагерцовые технологии; терагерцовая спектроскопия; терагерцовые изображающие системы; неинвазивная, малоинвазивная и интраоперационная диагностика злокачественных новообразований.

Код ГРНТИ29.03.31, 76.29.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
ТГц область электромагнитного спектра расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами – между 0,1 и 10,0 ТГц. Частотная зависимость ТГц диэлектрической проницаемости несет информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных свойствах вещества. При малой средней мощности ТГц излучение безопасно для организма человека. Из-за сильного поглощения водой оно не может проникать глубоко в ткани, однако его можно использовать для неинвазивной диагностики эпителия, а также в целях интраоперационных исследований. Возможности диагностики злокачественных новообразований с помощью ТГц спектроскопии и имиджинга интенсивно изучаются с конца ХХ века. Например, за прошедшее время была показана возможность ранней неинвазивной диагностики базальноклеточного рака кожи, интраоперационной диагностики опухолей молочной железы и глиомы головного мозга, малоинвазивной диагностики рака кишечника и желудка. В диссертационной работе руководителя проекта – к.т.н. К.И. Зайцева – впервые продемонстрирована возможность дифференциации обыкновенных и диспластических невусов кожи с помощью ТГц импульсной спектроскопии [Applied Physics Letters 106(5), 053702 (2015)]. Диспластический невус является предшественником меланомы, поэтому полученные в диссертации результаты имеют высокую социальную значимость, демонстрируя возможность ранней неинвазивной диагностики диспластических невусов и меланомы кожи in situ с помощью ТГц спектроскопии. Несмотря на достигнутый прогресс в области биомедицинских приложений ТГц технологий, существует важная проблема, затрудняющая развитие инструментов ТГц диагностики. Она связана с низким пространственным разрешением ТГц спектроскопических и изображающих систем. Пространственное разрешение ограничено дифракционным пределом и для современных ТГц оптических систем составляет порядка одной длины волны излучения λ (для частот 0,5, 1,0 и 2,0 ТГц минимальный размер кружка рассеяния – ~600, 300 и 150 мкм, соответственно). Это ограничивает возможности исследования патологий суб-волнового размера и снижает точность сегментации тканей. Повышение пространственного разрешения до суб-волновых масштабов (10^(-1)–10^(-3)λ) является актуальной проблемой ТГц оптотехники. Целью проекта является разработка методов формирования мультиспектральных ТГц изображений биологических тканей с суб-волновым разрешением (от 10^(-1) до 10^(-3)λ) для медицинской диагностики злокачественных новообразований. В проекте будут рассмотрены несколько подходов к повышению пространственного разрешения. I) Пространственное разрешение до λ/3 будет получено на основе принципов бесконтактной твердотельной иммерсионной микроскопии в ТГц диапазоне. II) Пространственное разрешение 10^(-1)λ будет реализовано с использованием безлинзовых каналов передачи ТГц ближнего поля из плоскости объекта в плоскость изображения, сформированных массивами упорядоченных ТГц волноводов с суб-волновыми размерами и периодом укладки. III) Пространственное разрешение 10^(-2)–10^(-3)λ будет получено на основе принципов ТГц сканирующей зондовой микроскопии, впервые реализованной на базе суб-волновых сапфировых кантилеверов, прозрачных в ТГц диапазоне. Разрабатываемые методы позволят перейти от исследования эффективных характеристик тканей (характеристик, усредненных по объему с характерным масштабом длины волны ТГц излучения λ) к изучению микроскопической структуры биологических тканей, вплоть до анализа отклика отдельных клеток. Разрабатываемые методы будут проходить экспериментальную апробацию на тестовых объектах для анализа достижимого пространственного разрешения, чувствительности и быстродействия. Новые методы будут применяться для исследования образцов биологических тканей in vitro – патологий кожи (совместно с Первым МГМУ им. И.М. Сеченова), патологий головного мозга (совместно с НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко). Апробация на образцах биологических тканей позволит сформулировать рекомендации к дальнейшему применению новых методов ТГц визуализации биологических тканей для диагностики злокачественных новообразований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Черномырдин Н.В., Кучерявенко А.С., Колонтаева Г.C., Щадько А.О., Бешплав Ш.-И.Т., Малахов К.М., Командин Г.А., Карасик В.Е., Спектор И.Е., Тучин В.В., Зайцев К.И. Sub-wavelength-resolution imaging of biological tissues using THz solid immersion microscopy 2018 International Conference Laser Optics (ICLO), Number 8435491, page 519 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435491

2. Черномырдин Н.В., Кучерявенко А.С., Колонтаева Г.С., Командин Г.А., Щедрина М.А., Спектор И.Е., Решетов И.В., Зайцев К.И. Terahertz continuous-wave solid immersion imaging with spatial resolution beyond the Abbe limit 2018 International Conference Laser Optics (ICLO), Number 8435444, page 125 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435444

3. Зайцев К.И., Черномырдин Н.В., Малахов К.И., Бешплав Ш.-И.Т., Горяйнов С.А., Курлов В.Н., Решетов И.В., Потапов А.А., Тучин В.В. In vitro terahertz dielectric spectroscopy of human brain tumors 2018 International Conference Laser Optics (ICLO), Number 8435242, Page 498 (год публикации - 2018)
10.1109/LO.2018.8435242

4. Черномырдин Н.В., Кучерявенко А.С., Колонтаева Г.С., Катыба Г.М., Долганова И.Н., Каралкин П.А., Пономарев Д.С., Курлов В.Н., Решетов И.В., Скоробогатый М., Тучин В.В., Зайцев К.И. Reflection-mode continuous-wave 0.15λ -resolution terahertz solid immersion microscopy of soft biological tissues Applied Physics Letters, volume 113, issue 11, number 111102 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5045480

5. Черномырдин Н.В., Кучерявенко А.С., Щадько А.О., Командин Г.А., Карасик В.Е., Тучин В.В., Зайцев К.И. Biomedical applications of terahertz solid immersion microscopy EPJ Web of Conferences, volume 195, number 10017 (год публикации - 2018)
10.1051/epjconf/201819510017

6. И.В. Минин, О.В. Минин, Г.М. Катыба, Н.В. Черномырдин, В.Н. Курлов, К.И. Зайцев, Л. Ю, З. Ванг, Д.Н. Кристодолидес Experimental observation of a photonic hook Applied Physics Letters, vol. 114, p. 031105 (2019) (год публикации - 2019)
10.1063/1.5065899

7. К.И. Зайцев, И.Н. Долганова, Н.В. Черномырдин, Г.М. Катыба, А.А. Гавдуш, О.П. Черкасова, Г.А. Командин, М.А. Щедрина, А.Н. Ходан, Д.С. Пономарев, И.В. Решетов, В.Е. Карасик, М.А. Скоробогаты, В.Н. Курлов, В.В. Тучин Malignancy diagnosis using terahertz spectroscopy and imaging: a review Journal of Optics (год публикации - 2019)

8. Н.В. Черномырдин, К.И. Зайцев, А.С. Кучерявенко, И.Н. Долганова, Г.М. Катыба, В.Е. Карасик, И.В. Решетов, К.И. Зайцев Numerical analysis and experimental study of terahertz solid immersion microscopy Optical Engineering, Vol.59, No 6, p. 061605 (год публикации - 2020)
10.1117/1.OE.59.6.061605

9. Н.В. Черномырдин, Г.М. Катыба, А.А. Гавдуш, Т.В. Фролов, И.Н. Долганова, В.Н. Курлов, К.И. Зайцев Terahertz transmission-mode near-field scanning-probe microscope based on a flexible sapphire fiber Proceedings of SPIE, Vol. 11088, Manuscipt # 110880I (год публикации - 2019)
10.1117/12.2528741

10. В.А. Желнов, Н.В. Черномырдин, А.С. Кучерявенко, И.Н. Долганова, Г.М. Катяба, К.И. Зайцев FDTD-modelling of terahertz solid immersion microscopy Proceedings of SPIE, Vol. 11164, Manuscript # 111640H (год публикации - 2019)
10.1117/12.2532389

11. К.И. Зайцев, И.Н. Долганова, Н.В. Черномырдин, Г.А. Командин, Д.В. Лаврухин, И.В. Решетов, В.Н. Курлов, Д.С. Пономарев, В.В. Тучин, И.Е. Спектор, В.Е. Карасик Применение терагерцовых технологий в биофотонике. Часть 1: методы терагерцовой спектроскопии и визуализации тканей Фотоника, Том. 13, #7, стр. 1--8 (год публикации - 2019)
10.22184/FRos.2019.13.5.462.467

12. Зайцев К.И., Долганова И.Н., Карасик В.Е., Курлов В.Н., Решетов И.В., Тучин В.В., Бешплав Ш.-И.Т., Потапов А.А. Terahertz spectroscopy and imaging of brain tumors Multimodal Optical Diagnostics of Cancer, Springer-Nature, Heidelberg (год публикации - 2020)

13. Гавдуш А.А., Черномырдин Н.В., Лаврухин Д.В., Янг Чао, Командин Г.А., Спектор И.Е., Долганова И.Н., Катыба Г.М., Курлов В.Н., Пономарев Д.С., Скоробогатый М., Решетов И.В., Зайцев К.И. A proof of concept for continuously-tunable terahertz bandpass filter based on a gradient metal-hole array Journal of Physics D: Applied Physics (год публикации - 2020)

14. Зайцев К.И., Катыба Г.М., Черномырдин Н.В., Долганова И.Н., Кучерявенко А.С., Россоленко А.Н., Тучин В.В., Курлов В.Н., Скоробогатый М. Overcoming the Abbe diffraction limit using a bundle of metal-coated high-refractive-index sapphire optical fibers Advanced Optical Materials (год публикации - 2020)

15. Н.В. Черномырдин, А.А. Гавдуш, Ш.-И.Т. Бешплав, К.М. Малахов, А.С. Кучерявенко, Г.М. Катыба, И.Н. Долганова, С.А. Горяйнов, В.Е. Карасик, И.Е. Спектор, В.Н. Курлов, С.О. Юрченко, Г.А. Командин, А.А, Потапов, В.В. Тучин, К.И. Зайцев In vitro terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain tumors: a pilot study Proceedings of SPIE, выпуск 10716, номер статьи 107160S (год публикации - 2018)
10.1117/12.2316302

16. О.А. Смолянская, Н.В. Черномырдин, А.А. Коновко, К.И. Зайцев, И.А. Ожередов, М.Н. Назаров, Дж.-П. Гуиллет, С.А. Козлов, Ю.М. Кистенев, Дж.-Л. Коутаз, П. Монаи, В.Л. Вакс, Дж.-Х. Сон, В. Воллас, Ю. Фельдман, И. Попов, А.П. Шкуринов,В.В. Тучин Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids related to water content Progress in Quantum Electronics, volume 62, pages 1-77 (год публикации - 2018)
10.1016/j.pquantelec.2018.10.001

17. Н.В. Черномырдин, А.С. Кучерявенко, К.М. Малахов, А.О. Щадько, Г.А. Командин, С.П. Лебедев, И.Н. Долганова, В.Н. Курлов, Д.В. Лаврухин, Д.С. Пономарев, С.О. Юрченко, В.В. Тучин, К.И. Зайцев Terahertz solid immersion microscopy for sub-wavelength-resolution imaging of biological objects and tissues Proceedings of SPIE, выпуск 10716, номер статьи 1071606 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2314464

18. Н.В. Черномырдин, А.С. Кучерявенко, Г.С. Колонтаева, Г.М. Катыба, П.А. Каралкин, В.А. Парфенов, А.А. Грядунова, Н.Е. Норкин, О.А. Смолянская, О.В. Минин, И.В. Минин, В.Е. Карасик и К.И. Зайцев A potential of terahertz solid immersion microscopy for visualizing sub-wavelength-scale tissue spheroids Proceedings of SPIE, volume 10677, pages 106771Y (год публикации - 2018)
10.1117/12.2306132

19. Г.М. Катыба, К.И. Зайцев, Н.В. Черномырдин, И.А. Шикунова, Г.А. Командин, В.Б. Анзин, С.П. Лебедев, И.Е. Спектор, В.Е. Карасик, С.О. Юрченко, И.В. Решетов, В.Н. Курлов и М. Скоробогатый Sapphire photonic crystal waveguide for terahertz sensing in aggressive environments Advanced Optical Materials, volume 6, issue 22, number 1800573 (год публикации - 2018)
10.1002/adom.201800573

20. Н.В. Черномырдин, А.О. Щадько, С.П. Лебедев, И.Е. Спектор, В.Л. Толстогузов, А.С. Кучерявенко, К.М. Малахов, Г.А. Командин, В.С. Горелик, К.И. Зайцев Wide-aperture aspheric optics for formation of subwavelength caustics of a terahertz electromagnetic-radiation beam Optics and Spectroscopy, выпуск 124, номер 3, стр. 428–436 (год публикации - 2018)
10.1134/S0030400X18030086

21. И.Н. Долганова, Н.В. Черномырдин, П.В. Александрова, Ш.-И.Т. Бешплав, А.А. Потапов, И.В. Решетов, В.Н. Курлов, В.В. Тучин и К.И. Зайцев Nanoparticle-enabled experimentally trained wavelet-domain denoising method for optical coherence tomography Journal of Biomedical Optics, выпуск 23, номер 9, номер статьи 091406 (год публикации - 2018)
10.1117/1.JBO.23.9.091406]

22. Г.М. Катыба, К.И. Зайцев, И.Н. Долганова, И.А. Шикунова, Н.В. Черномырдин, С.О. Юрченко, Г.А. Командин, И.В. Решетов, В.В. Несвижевский и В.Н. Курлов Sapphire shaped crystals for waveguiding, sensing and exposure applications Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, volume 64, pages 133-151 (год публикации - 2018)
10.1016/j.pcrysgrow.2018.10.002

Публикации