Ученые из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с зарубежными коллегами представили революционную разработку — первую в мире сферическую многоэлементную антенну из пьезополимера, предназначенную для оптоакустической томографии. Это изобретение открывает новые горизонты в медицинской диагностике, позволяя в режиме реального времени наблюдать за кровотоком в сосудах любого размера — от крупных артерий до мельчайших капилляров.
Традиционные методы визуализации, такие как УЗИ, КТ и МРТ, не всегда обеспечивают необходимую детализацию и скорость получения данных, особенно когда речь идет о микроциркуляции крови. Кроме того, многие из этих методов требуют инвазивного вмешательства или не обладают достаточным молекулярным контрастом. Новая технология, основанная на оптоакустической томографии, лишена этих недостатков. Она сочетает импульсное лазерное освещение с ультразвуковой регистрацией термоупругих сигналов, возникающих при нагреве тканей. Это позволяет получать не только структурные, но и функциональные данные, например, о насыщении тканей кислородом.
Ключевым элементом новой системы стала антенна из поливинилиденфторида (PVDF), обладающая беспрецедентной чувствительностью. По сравнению с традиционными пьезокерамическими материалами ее способность улавливать оптоакустические сигналы увеличилась более чем в десять раз. Уникальность разработки заключается в ее конструкции: антенна представляет собой сферический массив из 512 миниатюрных пьезоэлементов площадью менее 1 квадратного миллиметра каждый. Это мировой рекорд по плотности упаковки подобных датчиков.
Каждый элемент антенны работает независимо, что обеспечивает мгновенную трехмерную томографическую визуализацию. Система способна записывать данные со всех 512 элементов одновременно на частоте 100 МГц, что позволяет достичь полосы пропускания от 0,3 до 40 МГц. Это на порядок выше, чем у существующих аналогов. В ходе экспериментов технология продемонстрировала возможность визуализировать сосуды диаметром от 10 миллиметров до микроскопических капилляров размером с эритроцит (около 10 микрометров). Кроме того, ученым впервые удалось провести транскраниальную визуализацию мозга мыши без инвазивного вмешательства.
Идея разделить датчик на 512 независимых элементов сначала казалась нереальной, но нам удалось воплотить ее в жизнь. Эта технология открывает новые возможности для медицины и биологии, позволяя изучать живые ткани без вреда для них. Теперь мы можем детально исследовать микроциркуляцию и оксигенацию, что раньше было невозможно.
В исследовании приняли участие специалисты из Цюрихского университета, Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Университета Тунцзи (Китай), Высшего совета по научным исследованиям Испании и Центра Гельмгольца (Германия). Разработка может стать основой для нового поколения медицинских приборов, способных быстро и точно диагностировать сердечно-сосудистые, онкологические и нейродегенеративные заболевания. Кроме того, технология найдет применение в промышленности, например, в системах неразрушающего контроля.
Ранее ученые представили микрочип, способный за полтора часа показать, как антитела взаимодействуют с вирусами. Технология работает с каплей крови и может ускорить создание вакцин и отслеживание иммунного ответа при инфекциях.