Экспериментатор подносит к своей ладони небольшое устройство, и на экране компьютера отображается подробная карта крупных и мелких кровеносных сосудов, по которым циркулирует кровь. Это не кадры из фантастического фильма, а съемки, сделанные в настоящей лаборатории: возможность видеть сквозь кожу в режиме реального времени обеспечивается сферической антенной для оптоакустической томографии, разработанной учеными из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН в сотрудничестве с зарубежными специалистами. Данная разработка вошла в десятку лучших открытий 2025 года по версии Российского научного фонда, при содействии которого осуществлялась работа над проектом. Одной из перспективных сфер применения этой инновации является оперативное выявление проблем в работе сердечно-сосудистой системы и головного мозга. О принципах действия и процессе создания уникальной системы, получившей название в научном сообществе «матерью всех антенн»? О настоящем и будущем изобретения корреспонденту «Научной России» повествуют руководитель проекта и заведующий лабораторией ультразвуковой и оптико-акустической диагностики Павел Владимирович Субочев, сотрудник ИПФ РАН, и его коллега, старший научный сотрудник лаборатории биофотоники этого института, Анна Геннадьевна Орлова.
Музыка света
Оптоакустическая томография основана на способности материалов издавать ультразвуковые колебания при воздействии лазерных импульсов, параметры которых подобраны соответствующим образом. Поглощая фотоны, вещество нагревается, что приводит к изменению его плотности и генерации термоупругих сигналов – акустических волн. Эти звуковые волны не воспринимаются человеческим слухом, однако их можно зафиксировать с помощью специализированных приборов.
Каждый материал демонстрирует уникальную реакцию на фотоны, что проявляется в различных звуковых откликах при облучении. Благодаря этой «звуковой сигнатуре» становится возможным дистанционно определять местоположение различных структур, таких как кровеносные сосуды, расположенные под кожей.
Оптоакустическая томография предоставляет возможность получения не только структурной, но и функциональной информации, в частности, сведения о насыщении крови кислородом. Артериальная кровь, насыщенная кислородом, имеет ярко-красный цвет, тогда как венозная, отдавшая кислород тканям, – темно-красная. Эта разница в цвете обусловлена тем, что данные вещества по-разному поглощают свет, что приводит к различиям в их акустической реакции на лазерное воздействие. Для обеспечения высокой точности оценки насыщения крови кислородом при обследовании применяют быстро меняющийся свет различного цвета и длины волны.
«Импульсный лазер требуется для оптоакустической томографии, поскольку это позволяет генерировать звук различной частоты в широком диапазоне, как поясняет кандидат физико-математических наук Павел Владимирович Субочев. — Помимо этого, необходимо, чтобы эти импульсы имели различную длину волны, что подразумевает изменение цвета излучения лазера, — это позволяет установить уровень насыщения крови кислородом».
Актуальной задачей является разработка методов неинвазивной визуализации сосудов человека с возможностью отслеживания кровотока в режиме реального времени, что необходимо для ранней диагностики и лечения сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и онкологических заболеваний. Традиционные методы диагностики, включая ультразвуковое исследование, компьютерную томографию и магнитно-резонансную томографию, не способны обеспечить молекулярный контраст, необходимую детализацию и временное разрешение для решения этой задачи. Другие существующие подходы предполагают прямое вмешательство в организм. Наибольшие сложности возникают при одновременном наблюдении как крупных сосудов, так и микроскопических капилляров. Возможности оптоакустической томографии до недавнего времени были ограничены, поскольку она не позволяла полноценно исследовать мельчайшие сосуды в реальном времени из-за недостаточной чувствительности и ограниченного приемного диапазона.
Впрочем, сферическая антенна, разработанная в 2025 году, устраняет подобные помехи. Она впервые позволяет одновременно визуализировать сосуды, значительно отличающиеся по диаметру: от 3 мм до 30 мкм, что сопоставимо с размерами эритроцита. Благодаря высокой скорости получения трехмерных изображений и повышенной детализации технологии, удается увидеть даже микроскопические поры в биологических тканях.
Органная фуга кровеносных сосудов
Новое устройство официально называется многоэлементная широкополосная сферическая антенна, созданная на основе пьезополимера. В настоящее время такая система не имеет аналогов в мире, а ее способность улавливать оптоакустические сигналы превышает чувствительность традиционных пьезокерамических устройств более чем в десять раз.
*Пьезоэлектрические материалы — материалы, которые способны преобразовывать механическое воздействие в электрический сигнал. Ярким примером является зажигалка с пьезоэлементом: при нажатии на кнопку формируется электрический импульс, который инициирует искру. В случае со сферической антенной электрические импульсы возникают вследствие воздействия звуковых волн.
В состав антенны входит чувствительный элемент, выполненный в виде тонкой пьезополимерной пленки, и усилитель, предназначенный для согласования сигнала, поступающего с пленки, с аналого-цифровым преобразователем. На поверхности пьезополимера расположено 512 чувствительных элементов, площадь каждого из которых не превышает 1 мм 2: предыдущий уровень концентрации компонентов был показан впервые в мире. Информация фиксируется одновременно со всех элементов, функционирующих автономно. Благодаря этим разработкам, изобретение позволяет оперативно отображать трехмерное строение сосудов в исследуемом пространстве.
«Ключевое отличие нашей антенны заключается в том, что каждый ее элемент работает в сверхшироком диапазоне частот (в первоначальном тексте использовался термин «ультраширокополосный»). У типичной широкополосной антенны диапазон рабочих частот ограничен и близок к центральной. В нашей антенне полоса чувствительности элементов вдвое больше центральной частоты: она охватывает диапазон примерно от 300 кГц до 30 МГц. Это весьма широкий охват, — отмечает П.В. Субочев. — Я часто использую аналогию с органной музыкой: трубы органа различного размера производят звуки на разных частотах — тонкие издают писк, а толстые гудят. То же самое относится и к кровеносным сосудам. Поэтому необходимо, чтобы каждый компонент антенны мог одновременно воспринимать сигналы от сосудов разных размеров».
Для получения детализированного изображения кровеносных сосудов необходимо использовать большое количество высокочувствительных датчиков.
«При прослушивании раската грома во время грозы, можно по звуку определить приблизительное направление, откуда он исходит. Однако, если бы у нас было не две, а, скажем, три уха, расположенные в разных точках, мы смогли бы не только установить, в какой стороне находится источник звука, но и вычислить его точные координаты на карте — приводит пример П.В. Субочев. — В нашей антенне интегрировано 512 чувствительных элементов, благодаря чему возможно проводить исследования с высокой точностью и детализацией. Это позволяет изучать как небольшие (при использовании высоких частот), так и крупные (при использовании низких частот) структуры в пределах объема около 1 см 3».
Использование акустических сигналов в высоком частотном диапазоне обеспечивает получение детализированного изображения. В свою очередь, фиксация низкочастотных волн позволяет получать важные числовые данные и определять насыщение крови кислородом.
Детали разработки исследователи представили в статье в престижном научном журнале Light: Science & Applications с импакт-фактором 23,4 издательства Nature. Дорога к публикации оказалась длительной и заняла шесть лет, поскольку работа проходила через тщательную проверку экспертами. В итоге, эти усилия принесли плоды: изображение антенны даже появилось на обложке журнала, где была опубликована статья.
Что скрывается под кожей?
Для проверки работоспособности антенны исследователи провели ряд экспериментов. Один из них, представленный в начале данной статьи, заключался в визуализации кровеносных сосудов, расположенных внутри ладони человека. В ходе другого эксперимента антенна применялась для проведения безразрушающего исследования головного мозга здоровой мыши. При этом ученые также учитывали уровень оксигенации: приток крови, насыщенной кислородом, свидетельствует об интенсивной работе нейронов в конкретной области мозга. Данная взаимосвязь известна как нейроваскулярное сопряжение.
«Оптоакустическая томография не позволяет визуализировать нервные клетки напрямую, однако при нейрональной активности в области стимуляции происходит локальное изменение уровня насыщения кислородом. Применяя оптоакустическую томографию с использованием лазерного излучения различной длины волны, можно наблюдать изменения в концентрации окси- и дезоксигемоглобина в крови (гемоглобина, транспортирующего кислород, и гемоглобина, отдавшего кислород, соответственно — Примечание автора.) », — поясняет кандидат биологических наук Анна Геннадьевна Орлова.
В ходе эксперимента электрическая стимуляция вызывала сокращение лапки у подопытной мыши, а затем отслеживалось, как это движение мышц проявляется в активности мозга. Полученные данные подтвердили, что антенна регистрирует работу областей, непосредственно связанных с двигательными функциями.
«Представленные эксперименты служат иллюстрацией наших возможностей для медицинских работников. В случае, если врачи увидят потенциал нашей разработки для решения клинических задач, они смогут обратиться к нам для организации совместной работы. Это позволит нам сформировать доказательную базу, подтверждающую эффективность нашего устройства в различных областях медицины», — поясняет П.В. Субочев.
Оценку потенциала новой системы можно получить также из другой публикации, которую ученые представили несколько лет назад в соавторстве с кандидатом медицинских наук, врачом-флебологом Светланой Владимировной Немировой — проректором Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ). Его деятельность была сосредоточена на испытаниях одноэлементной оптоакустической антенны, созданной коллективом ученых. Данное устройство, являясь прототипом будущего изобретения, не функционировало в режиме реального времени. Для формирования изображения с использованием этой антенны требовалось сканирование исследуемой области тела в течение одной минуты.
«Мы смогли достаточно уверенно определять наличие нормального состояния и посттромботического синдрома, который может развиться как одно из последствий перенесенного коронавируса. В то время вирус распространялся наиболее интенсивно, и эта проблема была особенно важна, — рассказывает П.В. Субочев. — В ходе исследования мы проводили обследование испытуемых во время функциональных тестов: как пациентов, так и здоровых добровольцев. Им предлагалось приподнимать или опускать конечность относительно уровня сердца, после чего мы с помощью оптоакустики оценивали состояние их сосудов. В результате мы продемонстрировали, что данная технология может оказаться полезной для диагностики кровеносной системы».
Нефтяные пленки и дефекты в оптике
Антенна может быть применена и в областях, не связанных с медициной. Например, ученые использовали её для определения толщины нефтяной пленки, образовавшейся на водной поверхности.
«Сырая нефть и кровь обладают схожими оптическими характеристиками при длине волны 532 нм, поскольку нефтяные пленки при воздействии лазерного излучения генерируют акустический сигнал. Автор отмечает, что его заинтересовало, возможно ли с использованием оптоакустических методов установить толщину нефтяной пленки, находящейся на водной поверхности П.В. Субочев. — Выяснилось, что лазерная оптоакустика обладает такой возможностью, и это справедливо для различных толщин образцов. Мы с коллегами, специалистами в области гидрофизики, представили результаты этого исследования в научной публикации, однако стоит отметить, что пока что наша технология применялась исключительно в лабораторной среде».
Антенны могут также применяться для проведения неразрушающего контроля качества продукции.
«В данном случае технология корректнее всего обозначить лазерной ультразвуковой микроскопией, хотя наблюдаемый эффект является исключительно оптоакустическим», — поясняет П.В. Субочев. — В классическом ультразвуковом исследовании для формирования зондирующего импульса используется электричество. Однако этот метод имеет ограничения, и создание пьезоэлементов, способных генерировать сигналы на очень высоких частотах, представляет собой сложную задачу. Альтернативным решением является генерация ультразвука с помощью лазера, преобразующего лазерный импульс в акустический сигнал в течение нескольких наносекунд, что позволяет формировать зондирующие сигналы с частотами, достигающими сотен мегагерц. Мы использовали этот подход для диагностики качества склеивания оптических элементов. Даже если изделия выглядят безупречными, в них могут присутствовать скрытые дефекты, связанные с нарушениями в прозрачном клеевом слое. Ультразвуковая диагностика позволяет выявлять эти дефекты. Учитывая их малые размеры, для их обнаружения необходимы высокочастотные зондирующие импульсы, которые успешно генерируются с помощью оптоакустических технологий. Анализируя отраженный ультразвук по его рассеянию, можно проводить дефектоскопию. В Институте физики твердого тела РАН имеется развитое лазерное направление, и коллеги-оптики предоставили нам для изучения кристаллы, в которых действительно удалось зафиксировать дефекты. Результаты этих исследований также были опубликованы».
В поисках идеала
В процессе реализации проекта проектная команда располагала французской антенной, имевшей схожую с их собственной геометрическую структуру, однако изготовленной из традиционной пьезокерамики. Это впоследствии дало возможность с высокой точностью сопоставить характеристики новой разработки с уже существующей моделью, исключив ошибки, возникающие из-за различий в конструкции. В опубликованной статье авторы показывают преимущества своей разработки в отношении качества приема сигналов на различных частотах и получаемого изображения.
Использование пьезополимера вместо пьезокерамики стало ключевым фактором, обеспечившим высокую чувствительность в широком диапазоне частот. По словам П.В. Субочева, пьезокерамическая антенна эффективно улавливает ультразвук на резонансной частоте, однако при регистрации низких частот, что критически важно, например, для оценки насыщения крови кислородом, новая антенна на основе пьезополимера демонстрирует преимущество в десять и более раз. Замена материала потребовала интеграции системы с усилителем, рассчитанным на 512 каналов, который должен был располагаться максимально близко к поверхности пьезопленки, фактически быть припаянным к ней.
«Пьезопленка обладает гибкостью, однако для эффективного использования этой особенности необходимо учитывать определенные факторы, — отмечает П.В. Субочев. — Для достижения поставленной цели требовалось преобразовать плоскую пленку в полусферическую форму. Данный технологический процесс весьма уязвим. Чрезмерное растяжение пленки может привести к ее разрыву или утрате поляризации. Нагрев материала выше 70 °C также вызывает деполяризацию, что создает дополнительную сложность, поскольку паять такую пленку невозможно. В связи с этим возникла потребность в поиске альтернативных методов формирования электрических соединений».
В процессе выбора оптимального пьезополимера для антенны П.В. Субочев взаимодействовал с производителями из разных стран, получая консультации и рекомендации. Британские, французские и американские пленки были протестированы специалистами. После проведения обширных сравнений исследователи выбрали американский материал. Один из участников команды, аспирант Алексей Курников, опубликовал в журнале Ultrasonics расширенное исследование, посвященное зависимости чувствительности антенны от характеристик пьезопленки.
В стремлении сделать изобретение более доступным и обеспечить его успешное внедрение, исследователи планируют рассмотреть возможность замены лазеров на лазерные диоды. Также ведутся работы по снижению стоимости акустических элементов конструкции.
Судьбоносные встречи
В процессе реализации открытия Павла Владимировича Субочева значительную поддержку и вдохновение оказывали коллеги, среди которых были и известные ученые.
«Наверное, наиболее подходящей отправной точкой будет 2002 год — год, когда я начал работать в лаборатории ультразвуковой и оптико-акустической диагностики Института проблем физики РАН, — отмечает П.В. Субочев. — На протяжении всего этого времени мы с коллегами стремились к достижению текущего результата. До 2009 года я работал инженером под руководством Анатолия Дмитриевича Мансфельда, заведующего лабораторией ультразвуковой диагностики отдела радиофизических методов в медицине ИПФ РАН, и был полностью погружен в эксперимент — проводил исследования в области широкополосной регистрации ультразвука. В настоящее время отделом руководит Илья Викторович Турчин, мой непосредственный начальник и соавтор публикации, а в 2021 году мне была передана лаборатория Анатолия Дмитриевича».
В 2007 году известный специалист в области биофотоники, Валерий Викторович Тучин, представил П.В. Субочеву Лихуну Вану ( Lihong Wang) — лихун Ван, один из ведущих мировых экспертов в сфере оптоакустики, является автором основополагающего исследования, продемонстрировавшего возможность использования импульсного лазерного излучения с различной длиной волны для решения задач биомедицинской оптоакустики. Он поддержал исследования П.В. Субочева, посвященные широкополосной регистрации ультразвука, и подчеркнул значимость выбранного подхода.
В новой статье, опубликованной коллективом П.В. Субочева, благодарность начинается с Ивана Михайловича Пеливанова, ученика профессора Московского государственного университета Александра Алексеевича Карабутова, известного как автор научного труда «Лазерная оптоакустика» и признанного специалиста в области оптоакустики. И.М. Пеливанов и А.А. Карабутов неоднократно посещали ИПФ РАН для консультаций с коллегами. «Иван Михайлович изготовил для нас одну из первых экспериментальных многоэлементных антенн для широкополосной регистрации ультразвука, используя пьезополимерные пленки, чтобы показать нам потенциал этого подхода», — рассказывает П.В. Субочев.
Встреча П.В. Субочева с профессором Даниилом Рязанским, исследователем российского происхождения, имела решающее значение. Ученые познакомились на конференции, где Павел Владимирович презентовал одноэлементные антенны, предназначенные для оптоакустических исследований. Даниил Рязанский заинтересовался этими разработками и предложил П.В. Субочеву создать антенну, состоящую из 512 независимых элементов. Тогда этот вызов представлялся почти невыполнимым, однако ученые приняли решение о начале совместной работы и получили грант Российского научного фонда для реализации проекта. Позже именно Даниил Рязанский предоставил коллегам зарубежную площадку и лабораторных животных для тестирования новой антенны.
Конечно, трудности возникали и раньше. Наиболее серьезным испытанием для команды стало двухгодичный перерыв в финансировании тематических грантов РНФ, что привело к значительному сокращению доступных ресурсов для продолжения работы. В то время лабораторию П.В. Субочева поддержала президентская стипендия, предоставленная ведущим аспирантам, задействованным в исследовании.
Микроскоп для мозга и борьба с раком
Результаты, которые были получены, открывают возможности для реализации перспективных проектов в будущем. На пресс-конференции в медиахолдинге «Россия сегодня» в декабре 2025 года П.В. Субочев объявил о планах по созданию на базе новой антенны универсального медицинского микроскопа. Он сможет визуализировать не только кровеносные сосуды, но и нейрональную активность. Ученые уже получили грант Российского научного фонда для совместной с международными партнерами разработки.
Вместо метода, основанного на измерении насыщения крови кислородом, который применялся в предыдущем эксперименте, исследователи намерены использовать флуоресцентные метки, например, зеленый флуоресцентный белок GFP (Green Fluorescent Protein). В данном исследовании химики и биологи также сыграют значимую роль, наряду с физиками.
«Оптоакустические методы не дают возможности непосредственно наблюдать нейронную электрическую активность, так как они основаны на определении оптического контраста, — поясняет А.Г. Орлова. — Однако нейронную активность и оптический контраст всё же возможно соотнести между собой в режиме реального времени. Для этого используют специальные флуоресцентные белки, которые начинают излучать свет лишь при контакте с ионами кальция – основными индикаторами нейронной активности. Если удастся научить антенну регистрировать оптическое поглощение этих белков, появится возможность наблюдать за функционированием мозга в реальном времени».
Мониторинг концентрации ионов кальция позволяет быстрее фиксировать изменения в нейронной активности. При диагностике по окислению крови время задержки составляет приблизительно 10 секунд.
«Альтернатива GFP, находящиеся в центре внимания исследователей, — красные флуоресцентные белки, представляющие особый интерес с точки зрения оптоакустики, так как их свечение позволяет проводить измерения на бóльших глубинах, — подхватывает П.В. Субочев. — Для регистрации флуоресценции белков на значительной глубине часто применяют многофотонные флуоресцентные методы. Однако, несмотря на то, что эти соединения не характеризуются полным квантовым выходом флуоресценции, они также могут преобразовывать часть поглощенной оптической энергии в тепло, что позволяет использовать их и в оптоакустических исследованиях. Ярким примером является работа, выполненная нашим коллегой Даниилом Рязанским и опубликованная в 2009 году в журнале Nature и продемонстрировавшая возможность визуализации флуоресцентных белков при помощи оптоакустики. Поэтому мы вместе с зарубежными партнерами думаем, что если повысим чувствительность наших антенн, то тоже сможем детектировать такие белки по их оптическому поглощению».
«Следовательно, использование специализированных сенсоров, позволяющих определить активность нейронов (например, посредством реакции на изменение концентрации ионов кальция или по другим признакам), и обладающих определенным оптическим поглощением на конкретных длинах волн, позволит также их визуализировать», — заключает А.Г. Орлова.
В качестве еще одной сложной задачи, для которой исследователи планируют использовать оптоакустическую антенну, является визуализация сторожевых лимфатических узлов при онкологии. Эти лимфоузлы первыми встречают лимфу, стекающую от опухоли, и их мониторинг имеет ключевое значение в лечении раковых заболеваний.
«По данным исследований, лимфатическая система не обладает достаточной визуальной контрастностью, что затрудняет её диагностику с помощью оптоакустических методов П.В. Субочев. — Поэтому мы намерены активно сотрудничать с химиками, которые разрабатывают специализированные контрастные вещества, предназначенные для окрашивания лимфатической системы при введении. С использованием таких веществ мы сможем воспроизвести протокол, использовавшийся в предыдущих исследованиях, и оценить насыщение крови кислородом, заменив при этом измерение концентраций окси- и дезоксигемоглобина на определение концентрации контрастного агента. Индоцианин зеленый демонстрирует хорошие возможности в качестве подобного контрастного вещества ( ICG), одобренного для использования в клинической практике. Тем не менее, химия, подобно любой другой науке, постоянно развивается, и наши партнеры из Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Александровича Горина добились успеха в улучшении контрастных веществ ICG, для защиты молекул, мы будем заключать их в наночастицы и регулировать как ширину линии оптического поглощения, так и величину этого поглощения (молярный коэффициент экстинкции). С целью оценки токсичности разрабатываемых химических соединений, мы намерены сотрудничать с группой Марины Александровны Сироткиной в ПИМУ, нашими постоянными партнерами-биологами».
На передовой науки
На данный момент исследователи обладают всем необходимым для проведения экспериментов на своей базе. П.В. Субочев отмечает, что возможность обрести независимость и создать собственную лабораторию стала возможной благодаря грантовому финансированию проекта НЦМУ «Фотоника», который возглавлял академик Ефим Аркадьевич Хазанов.
«В настоящее время у нас имеется лаборатория, занимающая площадь 110 квадратных метров 2, разработанная по современным зарубежным стандартам. Благодаря поддержке моего руководителя, Ильи Викторовича Турчина, в нашем распоряжении оказались перестраиваемый лазер, аналого-цифровой преобразователь и портативная версия антенны. В используемом нами варианте количество элементов было уменьшено до 256, — рассказывает Павел Владимирович Субочев. — Новая лаборатория оборудована как инженерным помещением, где предусмотрены возможности пайки и аддитивного производства, с выводом отходов в атмосферу, так и «чистой комнатой» — помещением, свободным от пыли и оснащенным приточной вентиляцией, где расположены оптические столы с лазерами. Лабораторные условия позволяют проводить как создание антенн, так и оптоакустические эксперименты, включая совместные с биологическими институтами и клиническими центрами. Среди наших партнеров — Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина. Благодаря проделанной работе, мы сегодня имеем значительные возможности для дальнейшего развития».
Источники
Комментарии П.В. Субочева
Комментарии А.Г. Орловой
Выступление П.В. Субочева на пресс-конференции «Топ-10 научных открытий года» в декабре 2025 г., проведенной МИА «Россия сегодня» и Российским научным фондом
Российский научный фонд. Использование сферической антенны, изготовленной из пьезополимера, обеспечило возможность наблюдения за кровотоком в режиме реального времени
Фото на превью: пресс-служба ИПФ РАН.
Иллюстрации для текста взяты из следующих источников: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», пресс-служба ИПФ РАН, Максим Прудников / предоставлено П.В. Субочевым, www.photoacoustics.ru / предоставлены П.В. Субочевым, A.Kurnikov, et al. Biomedical Optics Express 16.10 (2025): 3988 / предоставлено П.В. Субочевым, P. Subochev, et al. Light: Science & Applications 14.1 (2025): 239 / материалы предоставлены П.В. Субочевым, Валерий Викторович Тучин. Предоставлены П.В. Субочевым, Druzhkova, I., et al. Biomedical Optics Express, 17(3), 1189-1204 / предоставлены П.В. Субочевым.