Врачи-эндоскописты сегодня сталкиваются с выбором между двумя типами оборудования: одно формирует изображение, другое измеряет физические характеристики тканей. Однако для точной диагностики новообразований и сосудистых бляшек, а также в ходе эндоскопических операций критически важно сочетание визуальной информации с количественными данными, такими как плотность, температура и оптическая плотность ткани. Использование нескольких приборов одновременно может снизить точность измерений и повысить риск травматизма. Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого предложили интегрировать все эти функции в единое оптическое волокно.
Принцип работы новой платформы основан на оптической когерентной томографии (ОКТ) – методе, позволяющем исследовать ткани на глубину нескольких миллиметров и выявлять детали размером до единиц микрометров.
«Оптическая когерентная томография – это оптический аналог УЗИ: вместо звука в ней используется инфракрасный свет, а глубину, на которой произошло отражение, мы определяем, измеряя отраженный спектр излучения. Глубина обзора меньше, чем у ультразвука, несколько миллиметров, зато различимы детали размером в несколько микрометров. Для доставки инфракрасного света к исследуемой ткани используется оптическое волокно толщиной около человеческого волоса. В этом же волокне мы разместили датчики температуры, давления и показателя преломления, что позволит лучше различать больные и здоровые ткани», – рассказал руководитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ Николай Ушаков.
Мультиплексирование позволяет опрашивать несколько зондов одним оптоэлектронным модулем и обрабатывать их сигналы совместно. Это дает возможность программно выбирать область пространства для формирования изображения и получать более детальную картину. Система различает неоднородности размером 20 мкм в поперечном и 7 мкм в продольном направлении. Погрешность измерения показателя преломления составляет до 2·10⁻⁵, температуры – 0,15 °C, силы – около 1 нН, а разрешающая способность по давлению достигает 0,001 Па. Такая чувствительность позволяет фиксировать слабые отклонения механических свойств ткани на ранней стадии.
Испытания проводили на моделях биологических тканей из желатина и альбумина. Отработали получение структурных изображений, измерение упругости и оценку диффузии жидких агентов. Комбинируя ОКТ с волоконным датчиком, исследователи отслеживали проникновение воды и глицерина в образец.
Вторая область применения – метрология в оптической и полупроводниковой промышленности. Ученые измерили толщину тонких пленок с точностью до нескольких нанометров и визуализировали сердцевину оптического волокна с разрешением лучше 1 мкм, что важно для неразрушающего контроля полупроводниковых пластин и волоконных компонентов.
Николай Ушаков отмечает, что проект уникален интеграцией ОКТ-зондов с волоконно-оптическими датчиками и возможностью одновременной регистрации сигналов нескольких зондов. Прототип собран из стандартных телекоммуникационных компонентов и воспроизводим в любой волоконно-оптической лаборатории страны.
Коллектив предложил метод подавления паразитных переотражений света с помощью квантово-вдохновленной интерферометрии второго порядка, используя тепловую статистику фотонов и одномодовые волокна. В планах – переход к бесконтактной оптической когерентной эластографии с улучшением разрешения до 1‑2 мкм и созданием зонда на многосердцевинном волокне с электронным управлением лучом. Также планируется развитие серийного производства оптической когерентной томографии в России.
Исследование поддержано Российским научным фондом.
Источник: scientificrussia.ru
распечатать статью
