Ученые из Сколтеха создали решение для экспресс-проверки корректного функционирования оптоакустических микроскопов и томографов — аппаратов, которые при помощи ультразвука и лазерного излучения видимого и инфракрасного диапазонов, без рентгена, обнаруживают злокачественные опухоли молочной железы и имеют потенциал для раннего обнаружения рака кожи и — при эндоскопическом исполнении — для определения типа атеросклеротических бляшек. Описанная в ACS Photonics тест-система впервые обеспечивает экспресс-диагностику оборудования для оптоакустической визуализации сразу в трех измерениях и подходит для аппаратов с различными рабочими длинами волн и разным разрешением, вплоть до 10 микрометров. О работе рассказала пресс-служба Скотеха.
Оптоакустическая визуализация — новый вид медицинской диагностики, который уже одобрен в США для скрининга рака молочной железы и в перспективе может иметь весьма широкое применение. Оптоакустические микроскопы и томографы сочетают в своей работе свет и звук. «Допустим, нужно визуализировать сеть кровеносных сосудов или даже капилляров. Это можно сделать, приняв от определенных клеток крови, эритроцитов, ультразвуковой сигнал акустическим датчиком — микрофоном, работающим на ультразвуковых частотах, — пояснил один из двух руководителей исследования, профессор Сколтеха Дмитрий Горин. — Чтобы заставить эритроциты "звучать", их освещают импульсным (мигающим) лазером с длительностью импульса единицы наносекунд, настроенным на такую длину волны, на которой свет хорошо поглощается молекулами гемоглобина в эритроцитах. Поглощая энергию каждого лазерного импульса, эритроцит трансформирует ее в нагрев и деформируется, становясь источником ультразвуковых колебаний, которые распространяются в биологической ткани с минимальным затуханием и могут быть обнаружены акустическими датчиками».
Хотя оптоакустическая визуализация для ранней диагностики рака молочной железы уже в клиниках, у персонала нет удобного, стандартного и простого решения для экспресс-проверки работоспособности системы. «Мы придумали тестовый объект, который подходит и для медицинских, и для лабораторных оптоакустических систем, в том числе мультиспектральных — которые настроены на несколько длин волн. Наша система позволяет оператору установки оперативно понять, работает ли система в необходимом режиме и обеспечивает ли она необходимую чувствительность и пространственное разрешение», — прокомментировала работу ее первый автор, аспирант Центра фотоники и фотонных технологий Маргарита Четыркина.
Тестовый образец в чем-то похож на струнные инструменты вроде гуслей и представляет собой рамку, в которой натянуты на разной высоте несколько струн. Каждая из них является волокном из одностенных углеродных нанотрубок — этот материал, в свою очередь, состоит из свернутых в цилиндры листов графена, то есть слоя углерода толщиной в один атом со структурой шестиугольных сот.
За счет дополнительной модификации струн, в частности скручивания струны из двух волокон, оказалось возможным количественно оценить нижний предел пространственного разрешения прибора, который или сможет различить структуру жгута, или же «увидит» такую струну как прямую линию. Это позволяет использовать калибровочную систему как для оптоакустических микроскопов с 10-микрометровым разрешением, так и для томографов с большей глубиной проникновения и меньшим разрешением — сотни микрометров, или десятые миллиметра. Поскольку в рамке на разной высоте натянуто несколько струн, ее можно использовать для проверки разрешения визуализации сразу в трех измерениях.
«Важное преимущество углеродных нанотрубок над материалами, использованными в ранее описанных калибровочных системах, — трубки поглощают свет в широком диапазоне, а значит, такая проверка подходит для мультиспектральных устройств, которые облучают ткань сразу на нескольких длинах волн», — добавила автор исследования, аспирант Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Юлияна Цветинович.
В проекте принимали участие ученые Сколтеха из Лаборатории наноматериалов под руководством профессора Альберта Насибулина и из Лаборатории биофотоники под руководством профессора Дмитрия Горина. Помимо Сколтеха, вклад в работу сделали исследователи из Саратовского национального исследовательского государственного университета и финской компании «Канату Лимитед».