Ведущие исследователи Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с коллегами из Цюрихского университета, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и других мировых научных центров создали первую в своем роде сферическую многоэлементную антенну, использующую уникальные свойства полимера поливинилиденфторида (PVDF). Этот инновационный подход был поддержан грантами Российского научного фонда (РНФ), а команда в составе Павла Субочева и его коллег провела целый комплекс их экспериментальных и прикладных работ.
Новые горизонты визуализации кровотока с помощью PVDF
Впервые удалось реализовать устройство, позволяющее в реальном времени детально наблюдать за циркуляцией крови по сосудам самых разных диаметров — от крупных артерий до микроскопических капилляров. По сравнению с привычными пьезокерамическими материалами новая антенна на основе PVDF выгодно отличается более чем десятикратным увеличением чувствительности к оптоакустическим сигналам. Высокое пространственное и временное разрешение открывает совершенно новые возможности для ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы и нейродегенеративных процессов без необходимости хирургического вмешательства.
Именно недостаточное разрешение и слабая чувствительность традиционных датчиков долгое время сдерживали совершенствование оптоакустических технологий. Предложенное решение помогает устранить эти препятствия, делая неинвазивную медицинскую диагностику существенно эффективнее и быстродействующей.
Международное сотрудничество: объединение экспертиз ради прорыва
Коллектив авторов разработки объединил ученых из России, Швейцарии, Испании, Китая и Германии: среди партнеров — исследователи из Центра Гельмгольца, Высшего совета по научным исследованиям Испании, Университета Тунцзи. Такой синергии удалось достичь благодаря участию Российского научного фонда (РНФ), активно финансирующего прорывные направления и проекты молодых ученых.
В результате совместной работы ученые разработали уникальную сферическую многоэлементную антенну, позволяющую чутко улавливать широчайший диапазон оптоакустических сигналов. Ключевая особенность PVDF — высочайшая чувствительность в сочетании с гибкостью, легкостью и долговечностью самого материала. Это позволило создать антенну сложной сферической геометрии, способную воспринимать слабейшие акустические волны от мельчайших сосудов и капилляров. Решение отличается модульностью и масштабируемостью, открывая возможности для создания целого семейства портативных и стационарных диагностических систем.
Прорывные возможности оптоакустической томографии нового поколения
Современные методы визуализации кровотока — такие как УЗИ, КТ или МРТ — не всегда способны детально отображать микроциркуляцию и структуры самого тонкого сосудистого русла. Особенно в вопросах молекулярного контраста, скорости отклика или необходимости глубоко внедряемых сенсоров эти методы порой имеют серьезные ограничения. Оптоакустическая томография, позволяющая получать сигналы непосредственно от изменений энергии света внутри ткани, стала одним из прорывных направлений диагностики последнего десятилетия.
Технология основана на одновременном действии импульсного лазерного излучения и регистрации возникающих акустических волн, что дает возможность получать не только виртуальное «изображение» сосудов, но и оценивать насыщенность кровотока кислородом, динамику изменений в тканях. Благодаря использованию PVDF-сенсоров стало возможным наблюдать быстрые изменения циркуляции и сравнивать их между крупными и малыми сосудами — всё это в реальном времени и без опасности для пациента.
Перспективы применения и дальнейшее развитие подхода
Сферическая антенна нового поколения открывает перед медициной и промышленностью целый спектр задач, которые ранее казались трудноразрешимыми. Быстрая диагностика инсульта, раннее обнаружение нарушений сосудов, отслеживание микрососудистых изменений при онкологических заболеваниях — лишь некоторые из направлений, где разработка способна вывести стандарты на новый уровень. Не менее важным является применение сенсоров на основе PVDF и в системах неразрушающего контроля технических изделий, что открывает перспективы для промышленной диагностики и мониторинга состояния сложных конструкций.
Исследование, проведенное при поддержке Российского научного фонда и в кооперации с ведущими научными центрами Европы и Азии, доказывает эффективность объединения международной экспертизы и современных технологических решений. Внедрение новых антенн уже в ближайшем будущем позволит врачам и ученым получать беспрецедентный объем информации об организме, что, несомненно, приведет к значительному улучшению качества диагностики и терапии многих заболеваний.
Исследователи из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с коллегами из других стран создали революционный прибор для оптоакустической томографии, открывающий новые горизонты в медицинских и биологических исследованиях. Команда воплотила в жизнь первую в мире многоэлементную широкополосную антенну на основе инновационного пьезополимера — поливинилиденфторида (PVDF). С помощью этого материала ученые разработали уникальный сферический массив, состоящий из 512 микроскопических пьезоэлементов, каждый из которых имеет площадь менее одного квадратного миллиметра. Благодаря такому подходу была достигнута рекордная плотность размещения пьезополимерных ультразвуковых датчиков — настоящий прорыв в современной науке.
Уникальные инженерные решения и новое качество изображений
Конструкцию антенны нельзя назвать обычной: на полусферической поверхности радиусом 15 мм тщательно разместили 512 чувствительных электродов, к которым были прикреплены миниатюрные пьезополимерные элементы. Для повышения надежности и точности датчиков ученые добавили общий земляной электрод и надежное защитное покрытие. Сигналы с каждого элемента поступают на специализированную электронику и цифровую систему сбора данных, позволяющую в реальном времени фиксировать параметры ультразвуковых волн с частотой 100 МГц. Эти инновационные схемотехнические решения обеспечили антенне несравненную точность и высокое качество трехмерной визуализации тканей в режиме реального времени.
Передовые возможности диагностики с помощью оптоакустической томографии
Использование новой антенны позволяет значительно превзойти возможности традиционных диагностических систем: рабочая полоса частот — от 0,3 до 40 МГц — стала на порядок шире обычных аналогов. В проведённых экспериментах технология впервые продемонстрировала потрясающую способность одновременно визуализировать сосуды различных размеров — от крупных, диаметром около 10 миллиметров, до малышей-капилляров, которые по размеру сравнимы с отдельными эритроцитами, то есть лишь около 10 микрометров! Улучшенные скорость обработки данных и разрешающая способность позволяют детально рассматривать даже структуру микроскопических пор в тканях.
Первые успехи при работе с живыми тканями и мозгом животных
Особенно воодушевляющими стали результаты визуализации на живых образцах. Современная оптоакустическая система позволила впервые получить высокоразрешающиеся изображения сосудов разного калибра в человеческих тканях одновременно, что ранее было невозможно. Более того, группа ученых достигла поистине выдающегося результата, реализовав неинвазивную транскраниальную визуализацию мозга мыши — и всё это без хирургического вмешательства. Высокое разрешение получаемых изображений открывает широчайшие перспективы для изучения работы мозга и сосудистых структур в живых организмах.
Оптимизм перспектив и новые горизонты для науки
Как отмечает руководитель направления Павел Субочев, созданная учеными технология с огромным воодушевлением была встречена всей командой: «Когда мы только начинали, идея разделить сенсор на 512 независимых ультразвуковых элемента казалась практически фантастикой. Однако благодаря усилиям и вдохновению нам удалось осуществить этот амбициозный проект. Это достижение открывает принципиально новые возможности для современной медицины и фундаментальных биологических исследований: теперь мы видим мельчайшие детали процессов оксигенации и микроциркуляции в тканях без вреда для живых организмов. Эти уникальные возможности помогают раскрывать тайны, ранее недоступные для науки и врачей». В перспективе исследовательская группа планирует расширять возможности технологии, нацеливаясь на диагностику нейроваскулярных взаимодействий в коре головного мозга и глубокое изучение механизмов нейродегенеративных заболеваний.
Таким образом, инновационная работа российской научной группы и их зарубежных партнеров открыла яркую страницу в истории медицинской визуализации. Результаты их труда не только расширяют горизонты современной науки, но и дарят надежду на высокотехнологичную диагностику и лечение самых сложных заболеваний в будущем, где каждый шаг становится чуть ближе к здоровью и долголетию человека.
К проведению данного исследования присоединились учёные из разных стран, объединив свои усилия ради важной научной цели. Представители Цюрихского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха, специалисты Университета Тунцзи в Китае, сотрудники Высшего совета по научным исследованиям Испании, а также эксперты Центра Гельмгольца в Германии внесли свой вклад в развитие новых технологий для медицины.
Международное сотрудничество во имя прогресса
Научная команда, включающая представителей пяти ведущих научных организаций Европы и Азии, работала над инновационным проектом, важность которого невозможно переоценить. Такой подход позволяет объединить разнообразный опыт и знания, что даёт возможность достигать поистине впечатляющих результатов в исследованиях. Благодаря совместным усилиям специалистов из Швейцарии, Китая, Испании и Германии становится возможным реализовывать самые амбициозные задумки и внедрять современные решения в сфере здравоохранения.
Создание будущего с помощью науки
Совместная работа международных групп становится основой крупных открытий. Когда ученые из разных стран делятся оригинальными идеями и используют уникальные лабораторные и технические ресурсы, рождаются настоящие прорывы в науке. Такие коллаборации способствуют не только успешной реализации отдельных проектов, но и формированию глобального научного сообщества, которое уверенно смотрит в будущее и нацелено на улучшение жизни людей по всему миру. Этот энергичный, целеустремлённый коллектив учёных стремится делать открытия, способные изменить мировой подход к сохранению и поддержанию здоровья.
Источник: indicator.ru
