Ученые создали чувствительную антенну для наблюдения за кровотоком в мельчайших капиллярах

Исследовать кровоток, циркулирующий по сосудам различных размеров, особенно в мельчайших капиллярах, очень важно для ранней диагностики и лечения сердечно-сосудистых, онкологических и нейродегенеративных заболеваний.

Однако существующие способы визуализации, например УЗИ, КТ и МРТ, не обеспечивают необходимого качества диагностики. Например, некоторые из них не дают должного пространственного и временного разрешения. Другие методы, по словам ученых, и вовсе требуют инвазивного вмешательства, к примеру, ангиография – метод рентгенологического исследования сосудов, при котором для визуализации сосудистой системы в нее вводится контрастное вещество.

По словам ученых, особенные трудности возникают у медиков при необходимости

одновременного наблюдения за крупными сосудами и микрокапиллярами в реальном времени, без нарушения физиологии тканей.

Целью физиков из ИПФ РАН, а также их коллег из Швейцарии, Китая, Испании и Германии, был поиск способа визуализации сосудистой системы без вмешательства в организм и с максимальной детализацией.

Известно, что высокое разрешение, сравнимое с оптическими методами, но при этом позволяющее проникать в ткани на большую глубину, дает оптоакустическая томография (ОАТ). Это метод медицинской визуализации, который сочетает в себе оптические и ультразвуковые технологии. Процедура включает в себя облучение ткани короткими лазерными импульсами, которые вызывают тепловое расширение, создавая ультразвуковые волны. Эти волны детектируются специальными антеннами, и на их основе потом создаются изображения, настоящие «фильмы» о движении кровотока в организме в реальном времени.

При использовании различных оптических длин волн этот подход можно было бы использовать и для получения видео-картинки кровотока в мельчайших сосудах, и для получения функциональной информации — например, о насыщении тканей кислородом. Однако до последнего времени этому мешало ограничение чувствительности и ограниченный частотный диапазон приемных антенн,

Как сообщили в РНФ, ученым удалось преодолеть этот барьеры за счет разработки первой в мире многоэлементной высокочувствительной широкополосной антенны на основе пьезополимера — поливинилиденфторида (PVDF). По сравнению с традиционными пьезокерамическими материалами чувствительность ее к оптоакустическим сигналам увеличилась более чем в десять раз.

Авторы создали сферу из тончайшей пленки PVDF, на поверхности которой сформировали 512 пьезоэлементов (преобразователей электрической энергии в механическую) площадью менее 1 квадратного миллиметра каждый. Сегодня это мировой рекорд по плотности упаковки ультразвуковых антенн.

Эксперименты на человеческих тканях показали, что технология впервые позволила одновременно видеть сосуды от крупных, диаметром до 10 миллиметров, до мельчайших капилляров, сравнимых с размером одного эритроцита (около 10 микрометров)! Ученым также удалось впервые в мире показать транскраниальную (сквозь череп) визуализацию мозга мыши с высоким разрешением без инвазивных вмешательств.

По словам заведующего лабораторией ультразвуковой и оптико-акустической диагностики ИПФ РАН Павла Субочева, данная технология открывает новые возможности не только для практической медицины, так и для фундаментальной биологической науки. «Теперь мы можем в самых мельчайших деталях наблюдать оксигенацию и микроциркуляцию, открывая неизвестные ранее закономерности», – говорит ученый. В дальнейшем исследователи планируют расширить область применения этой ОАТ-технологии на изучение механизмов нейродегенеративных процессов в мозге.

Как пояснили нам независимые специалисты, данная работа, конечно, не уровня «нобелевки», но отмечена профессионалами, как весьма качественная, прорывная разработка. Авторы существенно усовершенствовали метод оптоакустической томографии, предложив новую конструкцию линзы, заменив традиционный пьезоэлектрик на полимер. «Реализована уникальная методика приклейки пленки на полусферу, линзу, – такого в мире не было, – говорят профессионалы. – Сильный результат». Минусами технологии они же отмечают сложность изготовления 512-канальной электроники, которая может затруднить клиническое внедрение, а также тот факт, что пленки для антенны приходится закупать за рубежом, в России пока таких нет.