Новая технология в два раза улучшит освещение при операциях
С 2020 по 2024 год количество хирургических операций в России выросло на 34% (с 13,5 до 18,1 миллиона). В современных операциях вместо ламп все чаще используют оптоволокно, но неравномерное распределение света ухудшает видимость и повышает риски для пациентов. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая оптимизирует светораспределение в волокне, повышая эффективность освещения в два раза. Это сделает операции точнее и безопаснее.
Согласно данным РБК, в период с 2020 по 2024 год количество хирургических операций в российских стационарах увеличилось на 34% — с 13,5 до 18,1 миллиона. Чаще всего вмешательства проводятся в областях сердечно-сосудистой хирургии, травматологии, ортопедии, нейрохирургии, урологии и онкологии. В современных операциях вместо обычных ламп все чаще используют оптоволокно — тонкий «световод», который позволяет освещать труднодоступные участки, например, области за органами или узкие каналы при эндоскопии. Однако у этого метода есть проблема: из-за особенностей строения оптоволокна свет распределяется неравномерно. Это ухудшает видимость во время операции и повышает риск повреждения сосудов или нервов. Кроме того, неравномерное распределение света может привести к локальному перегреву тканей.
Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая оценивает равномерность и мощность светового излучения вдоль оптоволокна. Благодаря этому можно вдвое повысить эффективность освещения во время операций. Разработка пригодится в медицинских зондах для хирургических вмешательств, где требуется точное освещение, а также в волоконно-оптических датчиках. Это поможет хирургам работать точнее и безопаснее, снижая риски для пациентов.
Статья опубликована в журнале Photonics. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ.
В современной медицине, особенно в хирургии, не обойтись без оптоволокна – тонких нитей из кварцевого стекла, которые проводят свет. По данным аналитиков, спрос на него стремительно растет: рынок ежегодно увеличивается на 8–9%.
Во время хирургических вмешательств медицинское оптоволокно помещают в организм через микроразрезы для точного освещения операбельной зоны. В отличие от обычных ламп оно не нагревается, гнется как проволока и доставляет свет в конкретную область. Такая технология особенно востребована в гастроэнтерологии, урологии, эндоскопии (осмотре внутренних органов), лазерной хирургии и лечении опухолей светом.
Проблема оптических волокон в том, что неправильный подбор их характеристик влияет на рассеяние лучей. Это особенно критично в хирургии: если освещение распределяется с перепадами яркости, врач плохо видит некоторые участки в операционном поле. Определить границы тканей, сосудов или опухолей становится куда труднее. В эндоскопических процедурах это приводит к появлению бликов, теней и «слепых зон» на мониторе, из-за чего можно пропустить критически важные детали, например, начавшееся кровотечение или границы новообразования. При лазерных операциях неравномерное распределение световой энергии вызывает локальные перегревы, и вместо аккуратного разреза хирург рискует обжечь здоровые ткани. Именно поэтому очень важно обеспечить равномерный световой поток и свести подобные риски к минимуму.
В разработке ученых Пермского Политеха за рассеяние света отвечает структура из микрополостей разной формы, которая специально создается в оптоволокне путем оптического пробоя, то есть лазерными импульсами. Как правило, они бывают трех видов: овальные (эллиптические), круглые (сферические) и пулеобразные. Их форма, диаметр и периодичность расположения напрямую влияют на эффективность освещения.
Эксперты ПНИПУ создали математическую модель, которая предсказывает поведение света в оптическом волокне с микрополостями разного типа. Они разработали его виртуальную копию и с помощью программы рассчитали, как размер, форма и расположение этих полостей влияют на распределение лучей.
– С помощью нашей модели мы определили оптимальные параметры полостей в медицинском оптоволокне. Например, для сферических – лучшие результаты показали диаметры 3,6–4,4 мкм (микрометров) и 7,5–8,0 мкм с периодом 12,76 мкм. Для эллиптических – длины 10–12 мкм и диаметры 5,0–6,6 мкм. Эти характеристики обеспечивают максимально равномерное распределение света без значительных потерь мощности, – комментирует Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Так, оптимизированные микрополости в медицинском оптоволокне позволяют точно адаптировать световое воздействие под конкретные задачи. Например, сферические 3,6–4,4 мкм идеальны для высокоточных офтальмологических и онкологических операций, 7,5–8,0 мкм — для эндоскопии с равномерным освещением, а эллиптические (10–12 мкм или 5–6,6 мкм) эффективны в фотодинамической терапии рака. Такой размер и расположение микрополостей в волноводе позволят равномерно распределять свет по оперируемой зоне, что исключит риск ошибок во время хирургических вмешательств.
Математическая модель, созданная учеными Пермского Политеха, позволяет в два раза повысить эффективность оптоволоконного рассеивателя. Разработка улучшает существующие технологии и закладывает фундамент для будущих исследований в области оптики и фотоники.
Telegram 
Дзен 
VK Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно