Писк раковой опухоли: ученые НИТУ «МИСиС» разработали лазерное УЗИ для диагностики онкологических заболеваний

Группой ученых из НИТУ «МИСиС» разработана универсальная система оптико-акустического УЗИ, основанная на использовании ультразвуковых волн и лазерного излучения. Она может быть использована для получения изображений внутренних патологий, в том числе для выявления нефиксируемых обычным УЗИ опухолей малых размеров. Результаты опубликованы в международном научном журнале Photoacoustics.

Интересно, что разработка была сделана специалистами из лаборатории с названием (внимание!) «Лазерно-ультразвуковая диагностика структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов» которой руководит д.ф.-м.н., профессор Александр Алексеевич Карабутов.

Казалось бы – где горняки и где онкология?

Однако изучаемый специалистами лаборатории метод лазерной ультразвуковой спектроскопии оказался настолько универсальным, что технологии, созданные на этой основе, могут применяться в самых разных областях.

Мы уже писали на «Хабре» про прибор, созданный в лаборатории для обнаружения дефектов деталей самолета размером в 50 микрон, запущенный в мелкосерийное производство. И вот – новая разработка в области медицинской техники.

Как рассказали создатели, изначально система делалась для визуализации кровеносных сосудов. Однако в ходе исследований выяснилось, что аппарат применим также как для обследования твердых тканей (например, зубов), так и для диагностики онкологических образований в мягких тканях.

Дело в том, что стандартные методы УЗИ из-за низкой контрастности и качества изображения не позволяют, к примеру, на ранней стадии отличить раковую опухоль от здоровых тканей. Уверенное опознавание возможно только, если размер опухоли превышает 1 см.

Наша же разработка предоставляет врачу не только стандартные УЗИ-изображения, но и дополнительную информацию о тех тканях, которые слабо различимы акустически (при помощи ультразвука), но при этом имеют разную поглощающую способность. К таким тканям относятся и раковые опухоли.

Вся система основана на известном физическом явлении — оптико-акустическом эффекте. Он заключается в следующем: лазерное излучение очень короткой длительности поглощается в облучаемом объекте (в данном случае – живых тканях организма), что приводит к быстрому нагреву участка этого объекта. Нагрев приводит к расширению вещества тканей и соответствующему возбуждению ультразвуковых волн. Таким образом, облучение короткими лазерными импульсами приводит к «вибрации» участка ткани и излучению ими ультразвука. Грубо говоря, живой орган «пищит» на сверхвысоких тонах.

Схема работы прибора

«В установке лазерное излучение используется для возбуждения ультразвука в двух режимах. В первом, оптико-акустическом, свет поглощается непосредственно в изучаемом объекте (при этом «вибрировать» начинает небольшой участок кровеносного сосуда или опухоли). Возбуждаемые таким образом волны регистрируются множеством приемников (специальной акустической антенной), а сигналы с этих элементов используются в дальнейшем для построения точных изображений объекта, обеспечивающих контраст по поглощению света — пояснил один из соавторов, инженер лаборатории лазерных ультразвуковых методов интроскопических исследований НИТУ «МИСиС» Василий Зарубин.

Фотография экспериментальной установки: 1 — лазер с источником питания; 2 — волоконно-оптическая система доставки лазерного излучения в режиме LU; 3 — система сбора и обработки экспериментальных данных; 4-РС; 5 — матрица детекторов; 6–3D система позиционирования.

— Во втором, лазерном ультразвуковом режиме, свет поглощается уже в специальной пластинке, и она начинает «вибрировать». Возбужденные в ней волны используются для исследования объекта способом, схожим со стандартным УЗИ. При этом ультразвуковые волны рассеиваются неоднородностями объекта, и принимаются той же самой акустической антенной. Сигналы с нее используются для построения финальных лазерных ультразвуковых изображений».

Как следствие — прибор на основе лазерного УЗИ дает возможность обнаружить опухоль на ранней стадии, при размере менее миллиметра.

В настоящее время научный коллектив занимается улучшением характеристик экспериментального прототипа системы, а также адаптацией его под конкретные задачи.

Группой ученых из НИТУ «МИСиС» разработана универсальная система оптико-акустического УЗИ, основанная на использовании ультразвуковых волн и лазерного излучения. Она может быть использована для получения изображений внутренних патологий, в том числе для выявления нефиксируемых обычным УЗИ опухолей малых размеров. Результаты опубликованы в международном научном журнале Photoacoustics.

Интересно, что разработка была сделана специалистами из лаборатории с названием (внимание!) «Лазерно-ультразвуковая диагностика структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов» которой руководит д.ф.-м.н., профессор Александр Алексеевич Карабутов.

Казалось бы – где горняки и где онкология?

Однако изучаемый специалистами лаборатории метод лазерной ультразвуковой спектроскопии оказался настолько универсальным, что технологии, созданные на этой основе, могут применяться в самых разных областях.

Мы уже писали на «Хабре» про прибор, созданный в лаборатории для обнаружения дефектов деталей самолета размером в 50 микрон, запущенный в мелкосерийное производство. И вот – новая разработка в области медицинской техники.

Как рассказали создатели, изначально система делалась для визуализации кровеносных сосудов. Однако в ходе исследований выяснилось, что аппарат применим также как для обследования твердых тканей (например, зубов), так и для диагностики онкологических образований в мягких тканях.

Дело в том, что стандартные методы УЗИ из-за низкой контрастности и качества изображения не позволяют, к примеру, на ранней стадии отличить раковую опухоль от здоровых тканей. Уверенное опознавание возможно только, если размер опухоли превышает 1 см.

Наша же разработка предоставляет врачу не только стандартные УЗИ-изображения, но и дополнительную информацию о тех тканях, которые слабо различимы акустически (при помощи ультразвука), но при этом имеют разную поглощающую способность. К таким тканям относятся и раковые опухоли.

Вся система основана на известном физическом явлении — оптико-акустическом эффекте. Он заключается в следующем: лазерное излучение очень короткой длительности поглощается в облучаемом объекте (в данном случае – живых тканях организма), что приводит к быстрому нагреву участка этого объекта. Нагрев приводит к расширению вещества тканей и соответствующему возбуждению ультразвуковых волн. Таким образом, облучение короткими лазерными импульсами приводит к «вибрации» участка ткани и излучению ими ультразвука. Грубо говоря, живой орган «пищит» на сверхвысоких тонах.

Схема работы прибора

«В установке лазерное излучение используется для возбуждения ультразвука в двух режимах. В первом, оптико-акустическом, свет поглощается непосредственно в изучаемом объекте (при этом «вибрировать» начинает небольшой участок кровеносного сосуда или опухоли). Возбуждаемые таким образом волны регистрируются множеством приемников (специальной акустической антенной), а сигналы с этих элементов используются в дальнейшем для построения точных изображений объекта, обеспечивающих контраст по поглощению света — пояснил один из соавторов, инженер лаборатории лазерных ультразвуковых методов интроскопических исследований НИТУ «МИСиС» Василий Зарубин.

Фотография экспериментальной установки: 1 — лазер с источником питания; 2 — волоконно-оптическая система доставки лазерного излучения в режиме LU; 3 — система сбора и обработки экспериментальных данных; 4-РС; 5 — матрица детекторов; 6–3D система позиционирования.

— Во втором, лазерном ультразвуковом режиме, свет поглощается уже в специальной пластинке, и она начинает «вибрировать». Возбужденные в ней волны используются для исследования объекта способом, схожим со стандартным УЗИ. При этом ультразвуковые волны рассеиваются неоднородностями объекта, и принимаются той же самой акустической антенной. Сигналы с нее используются для построения финальных лазерных ультразвуковых изображений».

Как следствие — прибор на основе лазерного УЗИ дает возможность обнаружить опухоль на ранней стадии, при размере менее миллиметра.

В настоящее время научный коллектив занимается улучшением характеристик экспериментального прототипа системы, а также адаптацией его под конкретные задачи.