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 23-72-10095
НазваниеСпектральная интерферометрическая платформа для мультимодальных биомедицинских эндоскопических диагностических систем на основе оптической когерентной томографии и волоконно-оптических датчиков
Руководитель Ушаков Николай Александрович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «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 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика
Ключевые слова спектральная интерферометрия, оптическая когерентная томография, волоконно-оптические датчики, поверхностный плазмонный резонанс, измерение показателя преломления, биомедицинская диагностика
Код ГРНТИ47.35.41, 90.27.37, 90.27.39
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен разработке и реализации прототипов волоконно-оптической мультисенсорной эндоскопической системы с интегрированными зондом системы оптической когерентной томографии (ОКТ) и волоконно-оптическими интерферометрическими датчиками (ВОД), измеряющими температуру, показатель преломления и уровень pH в области введения эндоскопа. Такая система предоставит принципиально новые возможности как для диагностики и профилактики социально значимых заболеваний, так и для получения всеобъемлющей информации во время проведения хирургических операций, отслеживания состояния различных тканей и внутренних органов в период восстановления, проведения научных исследований в области биологии и медицины.
Основными преимуществами предлагаемой системы в отличии от существующих аналогов являются: одновременное измерение ОКТ изображений и различных физических величин в окрестности микроэндоскопа; возможность мультиплексирования нескольких микроэндоскопов при использовании одного опросного устройства для регистрации сигналов; улучшение качества ОКТ изображений за счёт компенсации влияния дисперсии исследуемых тканей без потери быстродействия и других характеристик системы.
При реализации проекта будет использован всесторонний подход, включающий аналитическое описание формирования сигналов ОКТ и ВОД, теоретическое и численное моделирование распространение света в волоконно-оптическом зонде и экспериментальную реализацию прототипа мультисенсорного микроэндоскопа.
Проект затрагивает широкий пласт задач, направленных на улучшение точности измерений проводимых с помощью оптической когерентной томографии, повышение достоверности таких измерений для медицинских работников и миниатюризацию измерительного зонда для возможности проведения малоинвазивных измерений in vivo.
Помимо высочайшей актуальности, результаты выполнения проекта будут обладать выдающейся научной новизной, превосходящей лучшие мировые аналоги. Благодаря комбинации компетенций исследовательского коллектива в области теоретического анализа волоконно-оптических систем, обработки сигналов, методов экспериментальных исследований оптических измерительных систем и понимания практических потребностей потенциальных конечных потребителей разрабатываемых диагностических систем, результаты проекта сформируют фундамент для развития нового поколения мультисенсорных волоконно-оптических систем для биомедицинских и других применений.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Реализованы различные варианты разработанной конструкции ОКТ зонда при помощи сварки подводящего одномодового волокна с фокусирующим выходной пучок многомодовым волокном с параболическим профилем показателя преломления.
Реализован комбинированный волоконно-оптический датчик давления и температуры, использующий спектральный интерферометрический опрос, пригодный для дальнейшей интеграции в зонд оптической когерентной томографии с общим путем. В основе предложенной конструкции чувствительного элемента лежит микросфера, закрепленная на торце подводящего волокна. Наилучшая разрешающая способность измерения давления составила 0,001 Па, что обеспечит возможность измерения слабых изменений механических свойств исследуемых тканей от нормального состояния.
Разработана методика изготовления фантомов биологических тканей, имитирующих оптические и эластические свойства с использованием желатина, альбумина, полимерных и стеклянных микросфер. Проведены первые испытания разрабатываемой системы оптической когерентной томографии/эластографии по визуализации внутренней структуры полученных фантомов.
Помимо запланированных результатов, был разработан метод улучшения продольной пространственной разрешающей способности ОКТ, использующий оценку количества размерности сигнального подпространства ковариационной матрицы сигнала ОКТ и дробное преобразование Фурье. При помощи данного метода была экспериментально исследована внутренняя структура волоконно-оптических линз и сварных соединений одномодовых волокон с многомодовыми.
Публикации
1.
Завалишина Л.Д., Маркварт А.А., Зарипов А.Э., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Отклик межмодового волоконно-оптического интерферометра на основе отражательной SMSMS-структуры на изменение показателя преломления внешней среды при его спектральном опросе
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, vol. 84, no. 4, pp. 206–220
(год публикации - 2025)
10.18721/JPM.18415
2.
Завалишина Л.Д., Маркварт А.А., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Refractive Index Measurement Resolution of the Core-Cladding Intermode Fiber Optic Interferometer with Spectral Interrogation
2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), pp. 468-470 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755698
3.
Лиокумович Л.Б., Евдокименко Е.Ю., Шевченко Д.В.
Influence of the Bending of the Outer Mirror in the External Fiber Fabry-Perot Interferometer on the Interference Signal Parameters
International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), pp. 439-442 (год публикации - 2024)
10.1109/EExPolytech62224.2024.10755760
4.
Еровенко З.А., Маркварт А.А., Петров А.В., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Неразрушающий контроль оптических волокон при помощи оптической когерентной томографии
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, vol. 84, no. 4, pp. 190–205
(год публикации - 2025)
10.18721/JPM.18414
5.
Маркварт А.А., Завалишина Л.Д., Петров А.В., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Resolution limits of core-cladding intermodal fiber-optic refractive index sensors with spectral interferometric interrogation
Proceedings of SPIE, Proceedings of SPIE Volume 13243, Advanced Sensor Systems and Applications XIV; 1324308 (2024) (год публикации - 2024)
10.1117/12.3036412
Аннотация результатов, полученных в 2026 году
Реализованы и экспериментально протестированы мультисенсорные спектральные интерферометрические системы для одновременного построения ОКТ/ОКЭ изображений и измерения таких параметров исследуемых тканей и окружающих их сред, как показатель преломления и температура, а также прикладываемое зондом давление.
Реализованы зонды ОКТ системы в осевой (с перпендикулярным торцом волокна, ОКТ измерения производятся вдоль оси подводящего волокна) и внеосевой (со скошенным торцом подводящего волокна, ОКТ измерения производятся поперёк оси подводящего волокна) конфигурациях.
Реализован подход картирования упругих свойств исследуемых образцов без механического перемещения измерительного ОКТ зонда. При этом оценка упругих свойств происходит за счет измерения скорости распространения сдвиговой волны в образце, которая возбуждалась двумя способами: механически при помощи пьезокерамики, а также за счёт периодического локального нагрева лазерным излучением. За счет использования 4 мультиплексированных ОКТ зондов и методов формирования диаграммы направленности, применяемых в фазированных антенных решетках, строится трехмерное распределение скорости распространения сдвиговой волны.
По результатам полномасштабных экспериментальных тестов ОКТ/ОКЭ системы на реализованных фантомах биологических объектов скорректирован состав фантомов биологических тканей и технология их изготовления. Предложен эффективный метод локальной модификации свойств желатиновой пленки путем лазерного нагрева. Достигнуто пространственное разрешение записываемых дефектов на уровне 10 мкм. Протестирован модифицированный метод осмотической оптической когерентной томографии, позволяющий оценивать скорость диффузии жидкостей через исследуемый объект. За счет комбинации ОКТ и волоконно-оптических датчиков показателя преломления, оказалось возможным одновременно оценивать скорость диффузии воды и желатина через образец при воздействии на образец водным раствором желатина.
Дополнительно разработан подход подавления паразитных интерференционных компонент и улучшения пространственной разрешающей способности спектральных интерферометрических измерений на основе интерферометрии второго порядка. Предложен подход формирования излучения с супер-пуассоновской (тепловой) статистикой, необходимого для реализации интерферометрических измерений второго порядка, легко совместимый с одномодовыми оптическими волокнами.
Публикации
1.
Головченко А.И., Петров А.В., Арчелков А.Б., Темкина В.С., Котов О.И.
Effects of Thermal Exposure on Fiber-Optic Polarization Interferometer Performance
IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) 2025, 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Oct. 2025, pp. 434–437.
(год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11252512
2.
Еровенко З.А., Макаренко М.С., Макаренко У.А., Маркварт А.А., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Common-Path Spectral-Domain OCT System with Multiplexed Probes and Modulation-Division Multiplexing
2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Oct. 2025, pp. 449–452.
(год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11253822
3.
Завалишина Л.Д., Маркварт А.А., Бобылева О., Граждан А., Филонов В., Ушаков Н.А.
Speckle Patterns in Real Fiber Optic Axisymmetric Cascade Structures
2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Oct. 2025, pp. 453–456.
(год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11252396
4.
Седов Н., Маркварт А.А., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Algorithmic Errors in Determining the Cavity Length of an External Fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer Using the Discrete Fourier Transform
2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2025 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), Oct. 2025, pp. 457–460. (год публикации - 2025)
10.1109/EExPolytech66949.2025.11252438
5.
Маркварт А.А., Завалишина Л.Д., Зарипов А.Э., Лиокумович Л.Б., Ушаков Н.А.
Simultaneous measurement of glycerol concentration in aqueous solution and temperature using fiber optic SMSMS structure and Fourier transform
Proceedings of SPIE, Proceeding of SPIE 13722, Advanced Sensor Systems and Applications XV, 137220F (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1117/12.3074640
6.
Л. Д. Завалишина, А. А. Маркварт , А. Э. Зарипов, Л. Б. Лиокумович, Н. А. Ушаков
Рефрактометры с температурной компенсацией на основе межмодовых волоконно-оптических интерферометров
Оптический журнал, Оптический журнал. 2026. Т. 93. No 5. С. 32–42. (год публикации - 2026)
10.17586/1023-5086-2026-93-05-32-42
7. Евдокименко Е.Ю., Лиокумович Л.Б., Маркварт А.А., Петров А.В., Ушаков Н.А. Сигнал внешнего волоконного интерферометра фабри-перо при изгибе наружной отражающей поверхности зазора интерферометра Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2026)
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта создают фундаментальный научно-технологический задел для разработки и внедрения в Российской Федерации нового класса диагностического оборудования, что напрямую способствует экономическому росту и решению социальных задач.
Вклад в экономику и технологический суверенитет
Импортозамещение медицинской техники. Разработанные прототипы мультисенсорного микро-эндоскопа с интегрированными ОКТ, датчиками давления, температуры и показателя преломления формируют основу для создания отечественных приборов, замещающих зарубежные аналоги в гастроэнтерологии, пульмонологии и онкологии. Локализация производства оптоволоконных компонентов и сенсоров снизит зависимость от импорта высокотехнологичных медицинских изделий.
Создание новой продукции. Экспериментально подтверждённые технологии позволяют перейти к опытно-конструкторским работам по выпуску:
мультисенсорных эндоскопических зондов, одновременно регистрирующих томографическое изображение, локальный показатель преломления и механические контактные воздействия;
волоконно-оптических датчиков силы и давления с наноньютоновым и миллипаскальным разрешением на основе микросфер (стеклянных или полимерных);
модулей мультиплексированного опроса нескольких ОКТ-каналов с общим оптическим трактом, пригодных для построения фазированных решёток.
Повышение эффективности промышленного неразрушающего контроля. Предложенные методы компенсации хроматической дисперсии (root-MUSIC + дробное преобразование Фурье) и интерферометрия второго порядка позволяют с микронным разрешением визуализировать внутреннюю структуру полупроводниковых пластин, оптических волокон и сварных соединений. Это снижает долю брака в оптоэлектронной и телекоммуникационной промышленности, сокращает издержки производства.
Масштабируемые технологии обработки сигналов. Разработанные алгоритмы мультиплексирования зондов и подавления паразитных интерференций могут быть адаптированы в системы технического зрения, лазерной локации и волоконно-оптические сенсорные сети для контроля инфраструктуры (мосты, трубопроводы), открывая новые рынки для отечественных измерительных систем.
Социальный эффект и развитие здравоохранения
Ранняя и точная диагностика заболеваний. Мультисенсорный зонд, проводящий одновременно осмотическую ОКТ и рефрактометрию, позволяет in vivo оценивать диффузионные свойства тканей, что критически важно для выявления предраковых изменений слизистых пищевода и дыхательных путей. Повышение информативности диагностики на амбулаторном этапе сократит сроки постановки диагноза и повысит выживаемость пациентов.
Снижение инвазивности процедур. Бесконтактная эластография с фазированной решёткой (без механического перемещения зонда) уменьшает дискомфорт для пациента и риск повреждения тканей, особенно в педиатрии. Одновременный контроль контактного давления микросферой исключает избыточное механическое воздействие на орган.
Мониторинг доставки лекарственных препаратов. Комбинированное измерение коэффициентов диффузии воды и желатина через образец открывает возможности для неинвазивного отслеживания проникновения терапевтических средств непосредственно в ткани, что ускорит разработку систем таргетной терапии и повысит безопасность лечения.
Обучение и стандартизация. Разработанные многослойные желатиновые фантомы, имитирующие стенки пищевода и дыхательных путей, могут тиражироваться для калибровки эндоскопической аппаратуры и обучения медицинского персонала, что повысит качество диагностических услуг по всей стране.
Формирование долгосрочных научно-технологических заделов
Заложена универсальная платформа «визуализация + мультипараметрический сенсоринг», которая масштабируется на другие спектральные диапазоны и типы зондов. В частности, квантово-вдохновлённый подход с суперпуассоновским излучением (g²(0)≈2) может быть перенесён на оптическую когерентную томографию для подавления артефактов рассеяния в мутных средах. Подготовленный кадровый состав и опубликованные методики формируют компетенции мирового уровня в области волоконной оптики и биомедицинской фотоники, которые будут востребованы при решении задач в авиационно-космическом материаловедении, агрофотонике и экологическом мониторинге.
Таким образом, результаты проекта обеспечивают предпосылки для выпуска инновационной высокотехнологичной продукции, повышения качества жизни граждан и укрепления научно-производственной базы Российской Федерации.