Российские учёные и инженеры создали антенну, которая в десятки раз чувствительнее существующих аналогов. С её помощью можно следить за кровотоком в сосудах любого размера — от артерий до капилляров. Разработка открывает путь к ранней диагностике опасных заболеваний — без хирургии и лучевой нагрузки.
Учёные из Нижнего Новгорода и их зарубежные коллеги разработали первую в мире сферическую антенну из пьезополимера. Она позволила наблюдать за кровотоком в реальном времени — от крупных сосудов до микрокапилляров — без вмешательства в организм. Технология может лечь в основу нового поколения диагностических систем.
Современные методы визуализации сосудов, включая УЗИ, КТ и МРТ, не дают нужного уровня детализации. Они не показывают кислородное насыщение тканей, не фиксируют микроскопическую циркуляцию и требуют либо инвазивного вмешательства, либо подбора специальных условий. Особенно трудно наблюдать одновременно за крупными и мелкими сосудами — и при этом не нарушить физиологию тканей.
Одним из самых перспективных направлений стал метод оптоакустической томографии. Он использует лазерные импульсы, которые вызывают в тканях кратковременный нагрев и акустические волны. Эти волны регистрируются ультразвуковыми антеннами и позволяют восстановить изображение сосудистой системы. Метод даёт как структурную, так и функциональную информацию — например, об уровне кислорода в крови. Но до недавнего времени технология упиралась в ограниченные возможности антенн.
Исследователи из Института прикладной физики имени Гапонова-Грехова РАН предложили решение. Они создали первую в мире сферическую антенну из поливинилиденфторида (PVDF) — чувствительного и гибкого пьезополимера. Конструкция включает 512 пьезоэлементов, каждый меньше одного квадратного миллиметра. Это мировой рекорд по плотности размещения таких датчиков.
Антенна собирает сигналы с частотой до 100 мегагерц и охватывает диапазон от 0,3 до 40 МГц. Это в разы шире, чем у традиционных устройств. Каждый элемент работает независимо, что позволяет получать трёхмерное изображение в реальном времени.
В экспериментах учёные впервые увидели одновременно как крупные сосуды (до 10 мм в диаметре), так и капилляры, сравнимые по размеру с эритроцитом — около 10 микрометров. Разрешение системы позволило заглянуть внутрь микропор, а также провести бесконтактную томографию мозга мыши через череп.
«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», — Павел Субочев, руководитель лаборатории ультразвуковой и оптико-акустической диагностики ИПФ РАН.
Неинвазивная транскраниальная визуализация трехмерных изменений насыщения тканей кислородом кровеносных сосудов головного мозга мыши при смене уровня кислорода в дыхательной смеси. Видео: Павел Субочев
Исследование поддержано грантами Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Light: Science & Applications (Nature Publishing Group). В проекте участвовали также учёные из Швейцарии, Китая, Германии и Испании.
