В фундаменте технологии лежит оптическая когерентная томография (ОКТ) – процедура, дающая возможность оценить структуру тканей на некотором расстоянии от поверхности, до нескольких миллиметров в глубину, и выявлять элементы с размерами порядка микрометра.

«Метод оптической когерентной томографии можно сравнить с ультразвуковым исследованием: вместо акустических волн здесь применяется инфракрасное излучение. Определение расстояния до точки отражения осуществляется посредством анализа спектра возвращенного света. Глубина сканирования ограничена, составляя лишь несколько миллиметров, однако позволяет различать структуры микроскопического размера – порядка нескольких микрометров. Для направления инфракрасного луча к ткани используется оптическое волокно с диаметром сопоставимым с толщиной человеческого волоса. Внутри этого же волокна расположены сенсоры для измерения температуры, давления и коэффициента преломления света, что способствует более точной дифференциации пораженных и здоровых участков», – делится информацией руководитель разработки, кандидат физико-математических наук, профессор Высшей школы прикладной физики и космической техники Санкт-Петербургского политехнического университета Николай Ушаков.

Полученные результаты выражаются в микрометрах и градусах, что позволяет оценить мельчайшие детали. Разрешающая способность системы составляет около 20 мкм для поперечных размеров неоднородностей и примерно 7 мкм – для продольных. Точность измерения коэффициента преломления достигла значения до 2·10⁻⁵, температуры — 0,15 °C, силы – приблизительно 1 нН; чувствительность по давлению в микросферном волоконно-оптическом датчике составила 0,001 Па. Такая высокая степень восприимчивости позволяет выявлять незначительные отклонения от нормальных механических характеристик ткани и обнаруживать изменения на самых ранних этапах.

Тестирование проводилось с использованием искусственно созданных моделей биологической структуры из желатина, альбумина и рассеивающих частиц. Эти модели имитировали структуру пищевода, дыхательных путей и кожного слоя. В процессе испытаний была отработана технология получения структурных изображений, измерения упругости материала и определения скорости распространения жидких веществ через образец. Это открывает перспективы для контроля доставки медикаментов: объединив ОКТ с волоконным датчиком коэффициента преломления, ученые смогли одновременно наблюдать за проникновением в материал воды и глицерина.

Данная платформа находит применение не только в биологии, но и в метрологии для оптической и полупроводниковой отраслей. Специалисты провели измерения толщины тонких слоев (занимающих менее 1 микрометра) с точностью до нескольких нанометров, а также визуализацию центрального слоя оптического волокна с разрешением меньше 1 мкм. Данная возможность актуальна для проведения контроля без разрушения полупроводниковых листов, оптоволоконных компонентов и сварных швов.

«Оптическая когерентная томография (ОКТ) представляет собой достаточно развитую технологию, начавшую свое развитие еще в начале девятого десятилетия прошлого века. Более чем десять лет назад получила широкое распространение эндоскопическая ОКТ. К сожалению, на текущий момент в Российской Федерации отсутствует собственное производство систем оптической когерентной томографии; все исследования, проводимые медицинскими работниками, осуществляются с использованием импортного оборудования. Главная особенность нашей разработки заключается в объединении ОКТ-зондов со световодными сенсорами и возможности одновременной регистрации сигналов от нескольких датчиков при помощи одного устройства без значительных изменений аппаратной базы. Прототип создан из общедоступных телекоммуникационных компонентов, используя стандартную технологию сварки оптических волокон, что делает его воспроизводимым в любой лаборатории страны и относительно несложным для изготовления», — отмечает Николай Ушаков.

Кроме того, группа разработчиков предложила способ минимизации помех от случайных отражений света внутри объекта исследования – с использованием интерферометрии второго порядка на основе принципов квантовой механики. Для этого необходимо было создать излучение с определенными статистическими свойствами фотонов, что легко реализуется при использовании стандартных одномодовых оптических волокон. В перспективе ученые планируют перейти к полностью бесклапанной оптической когерентной эластографии, когда для генерации акустических колебаний в объекте будут применяться короткие лазерные импульсы; повышение разрешения по глубине до 1–2 микрометров за счет регистрации сигнала в двух спектральных диапазонах; а также разработка зонда на многоволоконном кабеле с электронным управлением направлением луча – сканирование без механических движущихся частей. Важной целью коллектива является обеспечение серийного производства систем оптической когерентной томографии в России.

Данная работа была осуществлена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда под номером № 23-72-10095 (период реализации: 2023–2026 годы) в рамках программы исследовательских проектов, инициированной Президентом. Продолжение исследований запланировано на период с 2026 по 2028 год. В проекте принимают участие доценты А.А. Маркварт и А.В. Петров, профессор Л.Б. Лиокумович, а также аспиранты Л.Д. Завалишина и У.А. Макаренко. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Оптический журнал», изданиях «Приборы и техника эксперимента» и «Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки», а также в материалах SPIE и на конференции EExPolytech.

Предоставлено Управлением по связям с общественностью Санкт-Петербургского политехнического университета.