Группа ученых из НИТУ «МИСиС» разработала универсальную систему для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии в режиме реального времени. Одно из перспективных применений нового устройства — биомедицинские приложения, позволяющие без хирургического вмешательства с высокой чувствительностью обнаружить раковую опухоль и точно показать ее границы в формате УЗИ-сканирования, а также визуализировать сосуды при операциях. Результаты опубликованы в международном научном журнале Photoacoustics.
Аппарат, разработанный в лаборатории лазерных ультразвуковых методов интроскопических исследований НИТУ «МИСиС», принципиально может быть использован для обнаружения онкологических опухолей, а также для онлайн визуализации кровеносных сосудов пациента, диагностики введения медицинских игл или других инструментов в сосуды при различных процедурах, например шунтировании или стентировании.
Разработка решает проблему слабой контрастности и низкого разрешения изображений многих биологических тканей и органов, получаемых при помощи стандартного УЗИ. В сравнении с обычным ультразвуковым исследованием новая технология предоставляет врачу не только стандартные УЗИ-изображения, но и дополнительную информацию о тех тканях, которые слабо различимы акустически (при помощи ультразвука), но при этом имеют разную поглощающую способность. К таким тканям относятся и раковые опухоли.
Вся система основана на известном физическом явлении — оптико-акустическом эффекте. Он заключается в следующем: лазерное излучение очень короткой длительности поглощается в облучаемом объекте (в данном случае — живых тканях организма), что приводит к быстрому нагреву участка этого объекта. Нагрев приводит к расширению вещества тканей и соответствующему возбуждению ультразвуковых волн. Таким образом, облучение короткими лазерными импульсами приводит к «вибрации» участка ткани и излучению ими ультразвука. Грубо говоря, живой орган «пищит» на сверхвысоких тонах.
«В установке лазерное излучение используется для возбуждения ультразвука в двух режимах. В первом, оптико-акустическом, свет поглощается непосредственно в изучаемом объекте (при этом „вибрировать“ начинает небольшой участок кровеносного сосуда или опухоли). Возбуждаемые таким образом волны регистрируются множеством приемников (специальной акустической антенной), а сигналы с этих элементов используются в дальнейшем для построения точных изображений объекта, обеспечивающих контраст по поглощению света — рассказал один из соавторов, инженер лаборатории лазерных ультразвуковых методов интроскопических исследований НИТУ „МИСиС“ Василий Зарубин -
Во втором, лазерном ультразвуковом режиме, свет поглощается уже в специальной пластинке, и она начинает „вибрировать“. Возбужденные в ней волны используются для исследования объекта способом, схожим со стандартным УЗИ. При этом ультразвуковые волны рассеиваются неоднородностями объекта, и принимаются той же самой акустической антенной. Сигналы с нее используются для построения финальных лазерных ультразвуковых изображений».
Рис. 2 . Фотография экспериментальной установки: 1 — лазер с источником питания; 2 — волоконно-оптическая система доставки лазерного излучения в режиме LU; 3 — система сбора и обработки экспериментальных данных;
Таким образом, аппарат позволяет получать два типа изображений одновременно — оптико-акустические и лазерные ультразвуковые. Изображения первого типа обеспечивают оптический контраст — позволяют хорошо различать участки, по-разному поглощающие оптическое излучение. Второй тип изображений (лазерный ультразвуковой) обеспечивает акустический контраст — позволяет хорошо различать участки, по-разному отражающие ультразвуковые волны. Соответственно, изображение, полученное на новом приборе как комбинация этих двух типов, предоставляет врачам значительно больше информации для диагностики в сравнении со стандартным УЗИ.
В настоящее время научный коллектив занимается улучшением характеристик экспериментального прототипа системы, адаптацией его под конкретные задачи и поиском перспективных потребителей.
