Ученые разработали первую в мире многоэлементную сферическую антенну на основе пьезополимера

Ученые разработали и испытали первую сферическую многоэлементную антенну из пьезополимера для оптоакустической томографии. По сравнению с традиционными пьезокерамическими материалами чувствительность новой антенны к оптоакустическим сигналам увеличилась более чем в десять раз. Технология позволила в реальном времени наблюдать движение крови в сосудах различных размеров — от крупных артерий до мельчайших капилляров — с высоким пространственным и временным разрешением. 

Разработка может стать основой для новой линейки медицинских приборов, способных без хирургического вмешательства, быстро диагностировать серьезные сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, а также применяться в устройствах неразрушающего контроля. 

Понимание того, как и какая кровь циркулирует по сосудам различных размеров, особенно в мельчайших капиллярах, критично для ранней диагностики и лечения сердечно-сосудистых, онкологических и нейродегенеративных заболеваний. Однако существующие методы визуализации, например УЗИ, КТ и МРТ, не обеспечивают необходимого молекулярного контраста, пространственного и временного разрешения, иные методы вовсе требуют инвазивного вмешательства. Особенно трудно одновременно наблюдать в реальном времени и крупные сосуды, и микрокапилляры, не нарушая физиологию тканей. Поэтому ученые ищут способы визуализировать сосудистую систему без вмешательства в организм и с максимальной детализацией.

Трехмерная визуализация сосудов ладони человека, демонстрирующая способность антенны одновременно видеть глубокие сосуды и мелкие капилляры в реальном времени Источник: Павел Субочев

Одним из самых перспективных направлений стала оптоакустическая томография — метод, сочетающий импульсное лазерное освещение и ультразвуковую регистрацию термоупругих сигналов — акустических волн, возникающих при быстром нагреве ткани фотонами. При использовании различных оптических длин волн подход дает не только структурную, но и функциональную информацию — например, о насыщении тканей кислородом. Однако технология ограничена чувствительностью и частотным диапазоном приемных антенн, что мешало увидеть мельчайшие сосуды в реальном времени.

Неинвазивная транскраниальная визуализация трехмерных изменений насыщения тканей кислородом кровеносных сосудов головного мозга мыши при смене уровня кислорода в дыхательной смесиИсточник: Павел Субочев

Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН совместно с зарубежными коллегами усовершенствовали метод оптоакустической томографии. Они разработали первую в мире многоэлементную высокочувствительную широкополосную сферическую антенну на основе пьезополимера — поливинилиденфторида (PVDF), сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Авторы создали сферический массив из тончайшей пленки поливинилиденфторида, на поверхности которого сформировали 512 пьезоэлементов площадью менее 1 квадратного миллиметра каждый. Сегодня это мировой рекорд по плотности упаковки пьезополимерных ультразвуковых антенн. Сначала нижегородцы сформировали полусферическую поверхность радиусом 15 мм, содержащую 512 сигнальных электродов. Затем к электродной преформе были приклеены миниатюрные пьезополимерные элементы. Авторы сформировали общий земляной электрод, а также защитное покрытие. 

Сигналы с электродов обрабатывались специальной согласующей электроникой и цифровой системой сбора данных, которая способна одновременно записывать данные со всех элементов на частоте 100 МГц. В результате, каждый элемент принимал ультразвуковые сигналы независимо, что и позволило антенне обеспечить возможность мгновенной трехмерной томографической визуализации. Предложенная архитектура позволила достичь полосы пропускания от 0,3 до 40 МГц, что на порядок превышает параметры традиционных систем.

Изображение венозного кровотока тканей человека, полученное благодаря измерению пространственного распределения оксигенации крови с помощью новой антенныИсточник: Павел Субочев

В ходе экспериментов на человеческих тканях технология впервые позволила одновременно видеть сосуды разного масштаба: от крупных, диаметром до 10 миллиметров, до мельчайших капилляров, сравнимых с размером одного эритроцита (около 10 микрометров). Улучшенная скорость и детализация позволили взглянуть на структуру микроскопических пор. Также впервые показана транскраниальная визуализация мозга мыши с высоким разрешением без инвазивных вмешательств.

«Идея разделить датчик на 512 независимых элементов сначала казалась невозможной. Но все мы по-настоящему вдохновились на этот инженерный подвиг. Наша технология открывает новые возможности как для практической медицины, так и для фундаментальной биологической науки, позволяя детально изучать живые ткани человека, не причиняя им вреда. Теперь мы можем в самых мельчайших деталях наблюдать оксигенацию и микроциркуляцию, открывая неизвестные ранее закономерности. В дальнейшем мы планируем расширить область применения нашей оптоакустической технологии на диагностику нейроваскулярного сопряжения в масштабе коры головного мозга и изучение механизмов нейродегенеративных процессов», — рассказал руководитель проектов Павел Субочев, заведующий лабораторией ультразвуковой и оптико-акустической диагностики ИПФ РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Цюрихского университета (Швейцария), Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Университета Тунцзи (Китай), Высшего совета по научным исследованиям Испании (Испания) и Центра Гельмгольца (Германия).

Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда, опубликованы в журнале Light: Science & Applications издательства Nature Publishing Group.