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).
Автор исследования и руководитель проектов, поддержанных РНФ, Павел Субочев. Источник: Пресс-служба ИПФ РАН
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.
Команда из ИПФ РАН, создавшая уникальную сферическую антенну. Источник: Пресс-служба ИПФ РАН
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).
