• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
03.12.2021
Сколтех
1
1 398

Сделан шаг к созданию «эндоскопа-стробоскопа» для анализа бляшек в сосудах

4.5

Ученые из Сколтеха и их коллеги приблизились к созданию оптоакустического эндоскопа — медицинского зонда, который сможет пролезть внутрь кровеносного сосуда и исследовать атеросклеротические бляшки быстро мигающим лазером. Выбирая длину волны света такого диагностического «стробоскопа», можно заставлять вибрировать клетки разных видов и таким образом считывать состав бляшки при помощи ультразвукового микрофона.

Сосудистая дискотека, художественная интерпретация разрабатываемой авторами исследования технологии. Оптоакустический зонд проникает в кровеносный сосуд для изучения состава атеросклеротической бляшки, клетки которой облучаются мигающим лазером на разных длинах волн, после чего они уже не могут стоять смирно, начинают вибрировать, и их засекает чувствительный микрофон / ©Павел Одинев / Сколтех / Автор: Иван Беляев

Оптоакустическая визуализация — перспективная технология медицинской диагностики, которая может стать стандартной процедурой профилактического обследования на рак молочной железы, а при условии миниатюризации оборудования — применяться для обнаружения и анализа находить поражений мозга и атеросклеротических бляшек. В отличие от компьютерной томографии в оптоакустике используется не рентгеновское излучение, а обычный свет и звуковые сигналы, отсюда название: оптика плюс акустика.

Принцип работы таков: исследуемая ткань облучается импульсами лазера на длине волны, на которой поглощает свет некоторое значимое вещество, оно же «биомаркер», — им может быть гемоглобин, коллаген или даже вода. Поглощая свет, вещество нагревается и расширяется, но в интервалах между вспышками «стробоскопа» успевает обратно сжаться.

Периодическое расширение вызывает механическое колебание, как в мембране сабвуфера, только не на низких, а на очень высоких частотах — именно этот ультразвук выдает присутствие и местоположение искомых молекул. Он регистрируется чувствительным микрофоном.

Оптоакустика не только спасает пациентов от дозы ионизирующего излучения, но вдобавок позволяет выборочно визуализировать конкретные биомаркеры: меняя длину волны возбуждающего ультразвук лазера, можно «настроиться» на разные молекулы. Кроме того, ультразвук затухает в биологических тканях меньше, чем свет, поэтому можно заглянуть в организм глубже.

«В этом году FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) одобрило оптоакустическую диагностическую систему для скрининга рака молочной железы. Только одобренный аппарат не предназначен для введения в тело. Он оснащен довольно громоздким лазером и микрофоном», — поясняет руководитель исследования, профессор Дмитрий Горин из Сколтеха.

«Но бывают случаи, когда свет не может проникнуть достаточно глубоко. Тогда можно ввести в тело зонд, чтобы, например, рассмотреть изнутри стенки сосудов или органов. Это могло бы пригодиться для работы с атеросклеротическими бляшками: их анализа или даже микрохирургии. Такой зонд должен быть очень тонким и желательно без проводов», — добавляет ученый.

Над развитием как раз такой технологии, ранее предложенной британскими коллегами, работают авторы недавно опубликованного в ACS Photonics исследования. Их зонд представляет собой оптоволокно, по которому и доставляются вспышки света. На кончике зонда — крошечная мембрана микрофона. Система включает сразу два лазера: импульсы первого доходят до конца зонда, проходят сквозь мембрану и возбуждают биомаркеры, заставляя их генерировать акустические волны. Ультразвук вызывает колебания мембраны, которые считываются другим лазером.

«Как микрофон, только вместо электричества — свет, — рассказывает первый автор работы, Никита Кайданов из Сколтеха. — В качестве мембраны микрофона мы использовали 100-нанометровую пленку из углеродных нанотрубок. А чтобы можно было считать с нее сигнал лазером, на мембрану напылено брэгговское зеркало из диоксидов титана и кремния. В итоге мы можем зарегистрировать, как колеблющееся вместе с мембраной зеркало модулирует сигнал лазера».

Еще одно привнесенное коллективом из Сколтеха новшество — использование микроструктурированного волокна с полой сердцевиной, предоставленного промышленным партнером Сколтеха, ООО НПП. То есть по центру зонда, по всей его длине, имеется полость, которая меняет оптические характеристики прибора. В частности, становится возможным проводить свет в среднем инфракрасном диапазоне. Он подходит для визуализации дополнительных биомаркеров: углеводов, липидов и белков, в том числе тех, которые нужны для выявления наиболее опасных, нестабильных атеросклеротических бляшек в сосудах.

Таким образом, опубликованное в ноябре в ACS Photonics исследование приближает момент создания рабочего оптоакустического эндоскопа. В числе прочего работа показывает эффект от нагрева зеркала лазером на показатель преломления. Эта информация нужна для корректной интерпретации сигнала.

«В более широком смысле наш эксперимент продемонстрировал как таковую возможность считывания сигнала лазером с оснащенной зеркалом мембраны, — говорит Горин. — Однако в нашем случае мембрана колебалась не приходящим извне ультразвуком, а теряющим на ней часть энергии лазером». По словам ученых, теперь, когда они убедились, что колебания успешно считываются, и измерили «фоновый» сигнал системы из-за возбуждения мембраны лазером, стал возможным следующий шаг — попытаться принять реальный ультразвуковой сигнал от биомаркеров в образце и доказать таким образом, что устройство работает.

Данная работа стала результатом сотрудничества трех научных коллективов из Сколтеха: группы биофотоники, Лаборатории гибридной фотоники и Лаборатории наноматериалов, а также российских и зарубежных академических и индустриальных партнеров: Института биологической и медицинской визуализации Мюнхенского центра имени Гельмгольца, Тель-Авивского университета, Института спектроскопии РАН, МИФИ и ООО «Наноструктурная технология стекла». Исследование опубликовано в журнале ACS Photonics.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 14:25
Дарья Г.

По оценкам ученых, «свободных» планет в Млечном Пути может быть в 20 раз больше, чем звезд. Так как планеты сами не светятся, разглядеть их сложно: их ищут гравилинзированием, лучше всего обнаруживающим самые массивные планеты типа Юпитера. Но вот удалось найти еще одну такую «сироту», причем не массивную с Юпитер, а земного размера. И ученые уверены, что это лишь первая находка из многих.

Позавчера, 13:05
Александр Березин

В норме чем больше становится видов в группе, тем острее они конкурируют между собой, что сначала замедляет возникновение новых видов, а затем ведет к вымиранию. Новая научная работа показала, что у рода Homo ситуация почему-то была обратной: чем больше видов он образовывал, тем быстрее возникали новые дополнительные. Среди позвоночных подобных примеров нет, только среди жуков на изолированных островах. Ученые выдвинули ряд гипотез, позволяющих объяснить столь удивительный результат.

Вчера, 16:49
Андрей

Международная группа геофизиков изучила облик внутреннего ядра Земли, чтобы выяснить, какой у него тип тепловой конвекции. В ходе исследования ученые обнаружили самые горячие и самые холодные точки в центре планеты.

Позавчера, 14:25
Дарья Г.

По оценкам ученых, «свободных» планет в Млечном Пути может быть в 20 раз больше, чем звезд. Так как планеты сами не светятся, разглядеть их сложно: их ищут гравилинзированием, лучше всего обнаруживающим самые массивные планеты типа Юпитера. Но вот удалось найти еще одну такую «сироту», причем не массивную с Юпитер, а земного размера. И ученые уверены, что это лишь первая находка из многих.

Позавчера, 13:05
Александр Березин

В норме чем больше становится видов в группе, тем острее они конкурируют между собой, что сначала замедляет возникновение новых видов, а затем ведет к вымиранию. Новая научная работа показала, что у рода Homo ситуация почему-то была обратной: чем больше видов он образовывал, тем быстрее возникали новые дополнительные. Среди позвоночных подобных примеров нет, только среди жуков на изолированных островах. Ученые выдвинули ряд гипотез, позволяющих объяснить столь удивительный результат.

18 апреля
Юлия Трепалина

Во время проживания в отелях туристы, как правило, расходуют ощутимо больше воды, чем у себя дома: из-за долгого плескания в душе разница может доходить до 250 литров в день. В новом исследовании ученые с помощью эксперимента показали, как побудить отдыхающих пользоваться водными ресурсами экономнее.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

21 марта
Дарья Г.

По спектральным данным от «Джеймса Уэбба» и результатам компьютерного моделирования атмосферы астрономы показали, что экзопланета LHS 1140 b — мир-океан. Причем по характеристикам это лучший на сегодня потенциально обитаемый мир, подходящий для пристального изучения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

-
0
+
Периодическое расширение вызывает механическое колебание Колебания, нагревы. Эдак вы там в сосудах все тромбы посрываете, физики-экспериментаторы. Не видели ни разу, как хрипит человек с оторвавшимся тромбом? Увидите. или зачитайте "раскас" Ив.Бунина "Господин из Сан-Франциско".
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: