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.