Ученые создали первую в мире сферическую антенну из пьезополимера для оптоакустической томографии — и она в десять раз чувствительнее обычных датчиков.

Оптоакустическая томография — метод, где лазерный импульс нагревает ткань, та расширяется и генерирует ультразвук, который улавливают датчики. По сути, это «фотоаппарат», который снимает не свет, а звук от света.

Теперь можно в реальном времени разглядеть, как кровь движется по сосудам — от крупных артерий до капилляров тоньше человеческого волоса. Эта технология может изменить диагностику: без операций и контрастов она выявляет проблемы с сердцем, сосудами и даже нейродегенеративные заболевания.

Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

Раньше методы вроде УЗИ, МРТ или КТ не могли одновременно показать и большие сосуды, и микроскопические капилляры — не хватало ни четкости, ни скорости. Оптоакустика решает эту проблему: лазерный импульс нагревает ткань, та генерирует звуковую волну, а сверхчувствительный датчик ее улавливает. Но до сих пор такие системы работали в узком диапазоне и пропускали слабые сигналы.

Команда из Института прикладной физики РАН вместе с зарубежными коллегами совершила прорыв. Они взяли поливинилиденфторид (PVDF) — гибкий пьезополимер — и создали из него сферу с 512 микроскопическими датчиками. Каждый меньше квадратного миллиметра, а вместе они покрывают полусферу радиусом 1.5 см. Это рекордная плотность для таких антенн. Система записывает данные со всех элементов одновременно на частоте 100 МГц, а полоса пропускания — от 0.3 до 40 МГц, что в разы шире аналогов.

В экспериментах технология показала сосуды диаметром от 10 мм до 10 мкм — размер эритроцита. Впервые удалось увидеть микроциркуляцию в мозге мыши через череп без вмешательства.

Сначала казалось, что 512 датчиков в одной антенне — фантастика, — говорит Павел Субочев, руководитель проекта. — Но теперь мы можем изучать кислородный обмен и кровоток в мельчайших деталях. Следующий шаг — исследовать связь между нейронами и сосудами в коре мозга.

В работе участвовали ученые из Швейцарии, Китая, Испании и Германии.

Польза исследования

• Ранняя диагностика — технология выявляет нарушения микроциркуляции, что критично при диабете, Альцгеймере или раке, когда изменения начинаются на уровне капилляров.
• Безопасность — нет ни облучения, как при КТ, ни инвазивных процедур.
• Фундаментальная наука — можно изучать, как нейроны и сосуды взаимодействуют в реальном времени, что раньше требовало вскрытия тканей.

Остается вопрос с масштабируемостью. Сейчас антенна работает на небольших участках (например, мозг мыши). Для клиник нужны датчики, охватывающие сердце или печень человека, а это требует иной конструкции и мощности лазера. Кроме того, PVDF менее долговечен, чем пьезокерамика, и может деградировать со временем.

Ранее ученые разработали набор для диагностики рака мочевого пузыря в домашних условиях.